可调谐结构化激光器覆盖全空间频谱

前所未有地塑造光场

激光通常以平滑、无特征的光束形式发出，但当今许多最令人振奋的技术——量子通信、超精密传感和先进显微术——需要光束横截面上亮度呈复杂图案变化。本文报道了一种实用的激光器，它可以直接从光源调节出几乎任意这种图案，而无需事后用额外光学元件雕刻。该工作朝着“万用”激光器迈出了一步，使工程师和科学家能够精确设定所需的光场形状。

从一种可调到另一种可调

传统的可调谐激光器通常用于调整颜色，或更准确地说是光学频率。几十年来，工程师通过微调谐振腔的内部几何结构以及它对不同波长光的折射方式，学会了在腔内偏好某一种颜色。然而，光束的横截面通常保持最简单的形式——单一亮斑——因为这有助于更容易控制颜色并提高器件效率。随着对“结构化光”——即亮度和相位在光束横向以复杂方式变化——兴趣的增加，研究者开始提出一个不同的问题：我们能否不仅调节颜色，还以可控且灵活的方式调节光的横向模式？

为何空间图案重要

激光束的横向图案可被组织成一族族明确定义的形状，例如赫米特–高斯和拉盖尔–高斯模式。其中包括携带光学轨道角动量的光束，常被形象化为如螺旋般扭转的光。每一种图案都可以作为单独的信息通道、成像的特定探测探针，或与原子、分子或微小粒子相互作用的定制工具。然而直到现在，还没有商业化激光器能够在宽带范围内可靠地以单一、干净的模式生成每一种允许的图案。现有设计常常需要复杂的泵浦形状，并且仍难以抑制渗入光束的杂散模式。

结合偏轴泵浦和微小不对称

作者的关键洞见是在激光腔内结合两种物理技巧。首先，他们将泵浦光——用来激发增益晶体的光——略微偏离腔的中心。偏轴泵浦天然偏好那些其最亮区域与位移的泵点重合的模式，使它们在达到激光阈值的竞争中占得先机。但单靠这一手段，会在具有相似亮区的不同模式之间产生竞争，尤其是在一维条纹状模式和二维网格状模式之间，这会限制可调性。为了解除这一僵局，团队引入了受控的像差：腔在水平方向和垂直方向上略微不同地聚焦光。这一微小的内建不对称使许多不想要的模式在往返反射时发生形变，导致它们与泵浦的重合度下降，而被选定的模式则在正确的方向上周期性“复活”并保持增益。

覆盖完整模式图谱的激光器

研究者在波长为1064纳米的V形腔中演示了：仅通过在晶体内部左右或上下滑动泵点，就可以可靠地选择系统空间带宽内任意期望的二维赫米特–高斯模式。实际上，他们访问了四万多种不同模式，达到非常高阶数，光束被划分为数百个亮叶片。对光束亮度和相位的精细测量表明，这些模式纯度极高，与理想的数学形状高度一致。腔外通过一组紧凑的附加光学元件可以平滑地将这些模式转换为拉盖尔–高斯及更一般的“混合”模式，有效填满了可能激光光束结构的三维图谱。

对未来技术的意义

对非专业读者而言，这一成果可被视为为激光器配备了此前缺失的精细“模式旋钮”。无需为每一种新光束形状构建不同激光器或笨重的附加光学装置，一台紧凑设备即可在庞大库内调出几乎任何模式，并以高质量输出而不会在模式间发生不可预测的跳变。这为实用的现成结构化激光器打开了大门，可用于从利用多空间通道的高容量数据链路、到为生物样本量身定制光的显微镜、再到精确操控微观物体。由于该方法仅依赖泵点定位和巧妙设计的腔体，因此非常适合商业化并可扩展到其他非线性光源，预示着一个完全可编程光场成为科学与技术常规工具的未来。

引用: Sheng, Q., Geng, JN., Jiang, JQ. et al. Tunable structured laser over full spatial spectrum. Light Sci Appl 15, 169 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02243-3

关键词: 结构化光, 可调谐激光器, 空间模式, 轨道角动量, 赫米特–高斯光束