一、背景介紹

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，人們對激光腔的理解不斷深入，激光器的控制技術(shù)也日益成熟，引發(fā)了對多模激光器的研究熱潮。多模激光器打破了傳統(tǒng)單一模式的限制，提供了更豐富的物理現(xiàn)象，并拓展了激光器的應(yīng)用場景。那么，什么是多模激光器呢？搞清楚這個問題首先需要理解什么是激光的模式。本文所探討的橫模主要基于激光的空間相干性進(jìn)行定義：達(dá)到穩(wěn)定振蕩后，激光光場中彼此相干的空間點(diǎn)屬于同一橫模，互不相干的空間點(diǎn)屬于不同的橫模。不同的激光器結(jié)構(gòu)具有不同的本征橫模，例如傳統(tǒng)圓形鏡、方形鏡球面腔分別具有拉蓋爾-高斯、厄米-高斯本征橫模（感興趣的讀者可閱讀Adv. Opt. Photon. 11, 679-825 (2019)，充分理解光學(xué)中的模式）。

多模激光器作為一種高度靈活和可調(diào)控的光源，引發(fā)了一系列科研問題，如：如何準(zhǔn)確表征和研究非傳統(tǒng)激光器？如何有效控制多個橫模之間的耦合關(guān)系？如何實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧激光輸出？如何實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模的模式多樣性？如何充分利用多模式的起振機(jī)理拓寬應(yīng)用范圍？本文主要圍繞固體激光器，通過探討從單模激光到多模激光的技術(shù)演進(jìn)，闡述了近年來多種多樣的非傳統(tǒng)激光器研究熱點(diǎn)。

二、關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展

簡并腔激光器是一種具有特殊腔體結(jié)構(gòu)的激光器，其基本結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，由前后兩個腔鏡、大橫截面積增益介質(zhì)和一個4F系統(tǒng)組成。由于腔內(nèi)4F系統(tǒng)的存在，腔內(nèi)模式往返滿足自成像關(guān)系，因此在理想情況下，腔的光場分布變換矩陣是單位陣，任意光場分布都是腔的本征模式，這些本征模式都具有相同的本征值。換言之，這些本征模式具有相同的損耗，它們的損耗是“簡并"的，因此這類腔被稱為簡并腔。在未引入其他限制時(shí)，腔內(nèi)的諸多模式是互不相干、獨(dú)立存在的，這與傳統(tǒng)激光器的高相干性非常不同。通過在遠(yuǎn)場平面引入孔徑限制，這些模式在起振的過程中建立聯(lián)系，此時(shí)輸出光重新具有了高相干性。

隨機(jī)激光器利用無序散射介質(zhì)提供諧振腔的反饋?zhàn)饔茫⒉灰蕾囍C振腔鏡，通過光在無序介質(zhì)中發(fā)生多重隨機(jī)散射來實(shí)現(xiàn)激光輸出，如圖1（b）所示。在隨機(jī)激光器中，不同頻率和空間結(jié)構(gòu)的光學(xué)模式同時(shí)被放大，并相互耦合和疊加，在寬光譜范圍內(nèi)朝各個方向輻射。因此，隨機(jī)激光往往具有模式數(shù)多、相干性低、方向性差、空間分布復(fù)雜和光譜特征豐富的特點(diǎn)。

如圖1（c）所示，當(dāng)向傳統(tǒng)的回音壁模式微腔引入特定的形變構(gòu)成D形、跑道形等微腔結(jié)構(gòu)時(shí)，腔內(nèi)的光線演化將展現(xiàn)出混沌特性，使得光強(qiáng)在腔內(nèi)的分布趨于更加均勻，因此大量不同結(jié)構(gòu)的激光模式具有相近的高Q值和較小的增益競爭，能夠同時(shí)起振。

在光子網(wǎng)絡(luò)激光器中，增益介質(zhì)離散地分布在不同的空間位置，并通過單模波導(dǎo)相互連接，形成物理上的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可被視為隨機(jī)激光器的進(jìn)一步拓展，如圖1（d）所示。這種設(shè)計(jì)不僅產(chǎn)生了包括隨機(jī)激光輸出等多種有趣的物理現(xiàn)象，還與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)科學(xué)、光散射、量子圖等產(chǎn)成了巧妙的聯(lián)系。

圖1 (a) 簡并腔激光器；(b) 隨機(jī)激光器；(c) 混沌激光器；(d) 光子網(wǎng)絡(luò)激光器

得益于這些激光器特殊的結(jié)構(gòu)和激光輸出，研究人員開發(fā)了多種新型的激光光源應(yīng)用場景。以簡并腔激光器為例，根據(jù)腔內(nèi)的自成像特性，在合適的泵浦條件下，數(shù)多的橫?？赏瑫r(shí)起振，有趣的是，這些模式具有相同的頻率和質(zhì)量因子但彼此并不相干，因此這些模式相互疊加輸出之后的光束既具有高亮度，又具有低相干性。

傳統(tǒng)激光器在相干光成像中，由于散射導(dǎo)致的干涉現(xiàn)象會形成散斑圖案，嚴(yán)重影響成像質(zhì)量，如圖2（a）所示。而簡并腔激光器高亮度和低相干兼?zhèn)涞募す廨敵鲇行П苊饬讼喔晒獬上裰械纳邌栴}。在波前整形領(lǐng)域，一個關(guān)鍵的技術(shù)是找到一個合適的入射波前，使其通過散射介質(zhì)后能夠形成一個能量較高的聚焦亮點(diǎn)。傳統(tǒng)方法通常通過測量并計(jì)算散射介質(zhì)的傳輸矩陣來反演波前，或通過優(yōu)化方法求解相應(yīng)的逆問題，這類方法不可避免地需要多次測量和大量的后續(xù)計(jì)算處理。如圖2（b）所示，當(dāng)在簡并腔腔內(nèi)插入上述的散射介質(zhì)時(shí)，結(jié)合腔內(nèi)的小孔孔徑，諧振腔在起振過程中會自發(fā)找到一種的波前分布，從而實(shí)現(xiàn)了激光光場透過散射介質(zhì)后的全光學(xué)自動聚焦，這就等價(jià)為腔外的波前整形技術(shù)，無需多次測量和電子計(jì)算機(jī)后處理。更有意思的是，假如保留簡并腔的基本腔體結(jié)構(gòu)，但將增益替換為吸收型損耗，借助于簡并腔可支持任意空間模式的物理事實(shí)，此時(shí)該結(jié)構(gòu)自然地對應(yīng)于一種相干吸收體。如圖2（c）所示，研究人員在實(shí)驗(yàn)中搭建了這一結(jié)構(gòu)，并輸入了一個具有特定橫向分布的光場，結(jié)果發(fā)現(xiàn)簡并腔能夠幾乎地吸收該光場。更為重要的是，這一過程適用于任意波前，自動化，無需任何計(jì)算或優(yōu)化步驟，是一種對時(shí)間反向在物理學(xué)中的深刻理解。除此之外，研究人員構(gòu)建了基于該腔體的多模渦旋光激光器，并將超表面結(jié)構(gòu)的渦旋相位陣列插入腔體中的近場區(qū)域。如圖2（d）所示，該10×10的陣列中含有一個渦旋缺陷，也就是說在眾多拓?fù)浜蔀?的陣列中存在一個拓?fù)浜蔀?的結(jié)構(gòu)，通過泰伯效應(yīng)引入模間耦合后，該多模激光在簡并腔內(nèi)振蕩時(shí)能夠自發(fā)地彌補(bǔ)該缺陷，使得輸出的激光陣列全部為拓?fù)浜蔀?的渦旋激光束。

圖2 基于簡并腔多模激光器的新型應(yīng)用。(a) 消散斑成像；(b) 波前整形；(c) 相干吸收；(d) 渦旋缺陷自愈

三、總結(jié)展望

多模激光器作為激光物理的研究前沿，充分融合了光子的多個自由度，突破了單模激光器的物理限制，在新型激光器設(shè)計(jì)、現(xiàn)象、應(yīng)用方面不斷煥發(fā)出生機(jī)。展望未來，多模激光器要走出實(shí)驗(yàn)室還需解決多方面的挑戰(zhàn)，例如，如何實(shí)現(xiàn)任意的模式耦合關(guān)系和穩(wěn)定的可調(diào)諧特性等。在物理層面，多模激光器涵蓋了激光動力學(xué)和光與物質(zhì)相互作用等多個領(lǐng)域，是探索新現(xiàn)象和新應(yīng)用的理想平臺。除此之外，隨著機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，智能化多模激光系統(tǒng)有望成為研究和應(yīng)用的新趨勢。

參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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