北理工團隊在激光光場超高維調(diào)控研究方面取得重要突破
發(fā)布日期：2025-05-07 供稿：光電學(xué)院 攝影：光電學(xué)院
編輯：盛筠 審核：李家方 閱讀次數(shù)：
近日,，北京理工大學(xué)光電學(xué)院付時堯教授,、高春清教授團隊報道了一種用于光場高維多自由度調(diào)控的智能混合策略，首次基于單一調(diào)控器件實現(xiàn)了激光波矢,、相位,、振幅、模場分布,、軌道角動量（OAM）與自旋角動量（SAM）六個自由度的協(xié)同調(diào)控,，成功構(gòu)建了高維光場多自由度調(diào)控新范式,。以超表面作為智能混合策略載體開展實驗驗證，成功實現(xiàn)了調(diào)控維度高達288的超高維光場,。該研究成果以" Hybrid strategy in compact tailoring of multiple degrees-of-freedom toward high-dimensional photonics" 為題發(fā)表在Light: Science & Applications（SCI一區(qū),，IF：20.6）。該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃項目的資助,，合作單位為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和清華大學(xué),，其中北京理工大學(xué)為唯一第一及通訊作者單位。論文第一作者為光電學(xué)院2023級博士研究生周詩韻,，通訊作者為付時堯教授,。
激光光場多自由的度精準(zhǔn)協(xié)同調(diào)控及維度拓展是獲得高維結(jié)構(gòu)光場的核心，是光互聯(lián),、光存儲,、光計算、量子信息等高維光場應(yīng)用領(lǐng)域的根基,。然而,，現(xiàn)有多自由度調(diào)控技術(shù)往往需分步，依賴龐大光學(xué)系統(tǒng)或復(fù)雜元件,，難以在單一器件上同時調(diào)控多個激光自由度,，且調(diào)控維度有限，成為制約高維光場調(diào)控集成化發(fā)展的瓶頸,。如何在保證調(diào)控精度的前提下,，通過單一光學(xué)器件實現(xiàn)光場多自由度的按需協(xié)同調(diào)控，實現(xiàn)真正的高維光場定制,，是亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)難題,。
針對這一問題，付時堯,、高春清教授團隊提出了一種用于光場多自由度協(xié)同調(diào)控的智能混合調(diào)控策略,，如圖1所示，充分挖掘不同激光自由度的最佳調(diào)控方式,，將衍射理論,、深度學(xué)習(xí)與幾何相位調(diào)控深度融合，實現(xiàn)了采用單一純相位光柵對波矢,、相位,、振幅、模場分布,、OAM及SAM六個自由度進行精準(zhǔn)按需協(xié)同調(diào)控,，該純相位光柵的載體包括但不限于超表面、液晶聚合物等緊湊型雙折射材料器件，可在光學(xué)系統(tǒng)中“即插即用”,，無需復(fù)雜校準(zhǔn),，兼容多任務(wù)場景，使用方式靈活,。
圖1 智能混合調(diào)控策略示意圖
所提出的激光光場智能混合調(diào)控策略的基本原理及流程如圖2所示,，通過衍射理論設(shè)計相位分布，精確控制光場傳播方向與初始相位,；利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)生成全息圖,，高效解決多模式OAM疊加的強度串?dāng)_問題，進而調(diào)控OAM,、振幅和模場分布,；最后基于光子自旋霍爾效應(yīng)，通過幾何相位調(diào)控SAM,。
圖2 激光光場智能混合調(diào)控策略的基本原理
研究團隊將基于智能混合調(diào)控策略優(yōu)化得到的純相位透過率函數(shù)映射在超表面中,，通過實驗驗證成功實現(xiàn)了單一超表面器件對光場6個自由度的協(xié)同調(diào)控。該技術(shù)最終產(chǎn)生了包含288個正交模式的超高維光場,，其OAM譜誤差均值低至0.0036,，展現(xiàn)出卓越的高維光場調(diào)控性能。更進一步地,，由于OAM的無窮維交特性,，本研究實現(xiàn)的288維光場調(diào)控僅揭示了該混合智能調(diào)控策略理論潛力的一隅。在先前的研究工作中,，該團隊已經(jīng)實現(xiàn)了單衍射光學(xué)器件同時調(diào)控151個OAM模式（從-75到+75階）[Photon. Res. 12（5）, 1109（2025）],，而波矢、相位,、振幅等均可簡單擴展至更高維度,。因此，該工作可進一步實現(xiàn)千維級光場調(diào)控,，這種擴展能力將激發(fā)一系列前沿應(yīng)用,。
圖3 6自由度288維光場調(diào)控的實驗驗證
該工作突破了高維光場調(diào)控的技術(shù)瓶頸，構(gòu)建了激光光場多自由度精準(zhǔn)協(xié)同調(diào)控的新范式,，開創(chuàng)了“高維光子學(xué)”全新研究方向,，為光互聯(lián)、光存儲,、光計算,、量子信息等新一代信息技術(shù)發(fā)展提供支撐。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01857-3
附作者簡介：
第一作者周詩韻,，北京理工大學(xué)光電學(xué)院2023級博士研究生,，導(dǎo)師為付時堯教授，主要研究方向為激光光場智能調(diào)控算法,。以第一作者身份在Light: Science & Applications, Photonics Research, Optics Letters等期刊發(fā)表論文6篇,，以學(xué)生第一發(fā)明人申請發(fā)明專利 5項，其中3項已授權(quán),。
通訊作者付時堯,，北京理工大學(xué)教授、博導(dǎo),，國家級青年人才,。長期從事激光光場調(diào)控技術(shù)及應(yīng)用研究，主持國家重點研發(fā)計劃,、基金委原創(chuàng)探索計劃等項目十余項,，出版專著2部，發(fā)表論文70余篇,，獲授權(quán)發(fā)明專利24項,，研究成果已應(yīng)用于多個重要系統(tǒng)。曾入選博新計劃,，獲北京市自然科學(xué)二等獎（序1）,、中國電子學(xué)會優(yōu)秀博士論文獎、王大珩光學(xué)獎等?，F(xiàn)為美國光學(xué)學(xué)會資深會員（Optica Senior Member）,、中國激光雜志社第三屆青年編委員會委員、《光學(xué)學(xué)報》等期刊青年編委,、《紅外與激光工程》青編委會執(zhí)行委員會委員等,。
分享到：