北京理工在激光光场超高维调控研究方面取得重要突破

图1.智能混合调控策略示意图

近日，北京理工大学光电学院付时尧教授、高春清教授团队报道了一种用于光场高维多自由度调控的智能混合策略，首次基于单一调控器件实现了激光波矢、相位、振幅、模场分布、轨道角动量(OAM)与自旋角动量(SAM)六个自由度的协同调控，成功构建了高维光场多自由度调控新范式。以超表面作为智能混合策略载体开展实验验证，成功实现了调控维度高达288的超高维光场。该研究成果以" Hybrid strategy in compact tailoring of multiple degrees-of-freedom toward high-dimensional photonics" 为题发表在Light: Science & Applications(SCI一区，IF：20.6)。该研究工作得到了国家重点研发计划项目的资助，合作单位为中国科学技术大学和清华大学，其中北京理工大学为唯一第一及通讯作者单位。论文第一作者为光电学院2023级博士研究生周诗韵，通讯作者为付时尧教授。

激光光场多自由的度精准协同调控及维度拓展是获得高维结构光场的核心，是光互联、光存储、光计算、量子信息等高维光场应用领域的根基。然而，现有多自由度调控技术往往需分步，依赖庞大光学系统或复杂元件，难以在单一器件上同时调控多个激光自由度，且调控维度有限，成为制约高维光场调控集成化发展的瓶颈。如何在保证调控精度的前提下，通过单一光学器件实现光场多自由度的按需协同调控，实现真正的高维光场定制，是亟待解决的关键科学难题。

针对这一问题，付时尧、高春清教授团队提出了一种用于光场多自由度协同调控的智能混合调控策略，如图1所示，充分挖掘不同激光自由度的最佳调控方式，将衍射理论、深度学习与几何相位调控深度融合，实现了采用单一纯相位光栅对波矢、相位、振幅、模场分布、OAM及SAM六个自由度进行精准按需协同调控，该纯相位光栅的载体包括但不限于超表面、液晶聚合物等紧凑型双折射材料器件，可在光学系统中“即插即用”，无需复杂校准，兼容多任务场景，使用方式灵活。

所提出的激光光场智能混合调控策略的基本原理及流程如图2所示，通过衍射理论设计相位分布，精确控制光场传播方向与初始相位;利用神经网络生成全息图，高效解决多模式OAM叠加的强度串扰问题，进而调控OAM、振幅和模场分布;最后基于光子自旋霍尔效应，通过几何相位调控SAM。

图2.激光光场智能混合调控策略的基本原理

研究团队将基于智能混合调控策略优化得到的纯相位透过率函数映射在超表面中，通过实验验证成功实现了单一超表面器件对光场6个自由度的协同调控。该技术最终产生了包含288个正交模式的超高维光场，其OAM谱误差均值低至0.0036，展现出卓越的高维光场调控性能。更进一步地，由于OAM的无穷维交特性，本研究实现的288维光场调控仅揭示了该混合智能调控策略理论潜力的一隅。在先前的研究工作中，该团队已经实现了单衍射光学器件同时调控151个OAM模式(从-75到+75阶)[Photon. Res. 12(5), 1109(2025)]，而波矢、相位、振幅等均可简单扩展至更高维度。因此，该工作可进一步实现千维级光场调控，这种扩展能力将激发一系列前沿应用。

图3.6自由度288维光场调控的实验验证

该工作突破了高维光场调控的技术瓶颈，构建了激光光场多自由度精准协同调控的新范式，开创了“高维光子学”全新研究方向，为光互联、光存储、光计算、量子信息等新一代信息技术发展提供支撑。

审核编辑 黄宇