一、背景介紹

隨著激光技術的發展，人們對激光腔的理解不斷深入，激光器的控制技術也日益成熟，引發了對多模激光器的研究熱潮。多模激光器打破了傳統單一模式的限制，提供了更豐富的物理現象，并拓展了激光器的應用場景。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行定義：達到穩定振蕩后，激光光場中彼此相干的空間點屬于同一橫模，互不相干的空間點屬于不同的橫模。不同的激光器結構具有不同的本征橫模，例如傳統圓形鏡、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)，充分理解光學中的模式）。

多模激光器作為一種高度靈活和可調控的光源，引發了一系列科研問題，如：如何準確表征和研究非傳統激光器？如何有效控制多個橫模之間的耦合關系？如何實現可調諧激光輸出？如何實現超大規模的模式多樣性？如何充分利用多模式的起振機理拓寬應用范圍？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演進，闡述了近年來多種多樣的非傳統激光器研究熱點。

二、關鍵技術進展

簡并腔激光器是一種具有特殊腔體結構的激光器，其基本結構如圖1（a）所示，由前后兩個腔鏡、大橫截面積增益介質和一個4F系統組成。由于腔內4F系統的存在，腔內模式往返滿足自成像關系，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，腔內的諸多模式是互不相干、獨立存在的，這與傳統激光器的高相干性非常不同。通過在遠場平面引入孔徑限制，這些模式在起振的過程中建立聯系，此時輸出光重新具有了高相干性。

隨機激光器利用無序散射介質提供諧振腔的反饋作用，而并不依賴諧振腔鏡，通過光在無序介質中發生多重隨機散射來實現激光輸出，如圖1（b）所示。在隨機激光器中，不同頻率和空間結構的光學模式同時被放大，并相互耦合和疊加，在寬光譜范圍內朝各個方向輻射。因此，隨機激光往往具有模式數多、相干性低、方向性差、空間分布復雜和光譜特征豐富的特點。

如圖1（c）所示，當向傳統的回音壁模式微腔引入特定的形變構成D形、跑道形等微腔結構時，腔內的光線演化將展現出混沌特性，使得光強在腔內的分布趨于更加均勻，因此大量不同結構的激光模式具有相近的高Q值和較小的增益競爭，能夠同時起振。

在光子網絡激光器中，增益介質離散地分布在不同的空間位置，并通過單模波導相互連接，形成物理上的網絡結構，可被視為隨機激光器的進一步拓展，如圖1（d）所示。這種設計不僅產生了包括隨機激光輸出等多種有趣的物理現象，還與復雜網絡科學、光散射、量子圖等產成了巧妙的聯系。

圖1 (a) 簡并腔激光器；(b) 隨機激光器；(c) 混沌激光器；(d) 光子網絡激光器

得益于這些激光器特殊的結構和激光輸出，研究人員開發了多種新型的激光光源應用場景。以簡并腔激光器為例，根據腔內的自成像特性，在合適的泵浦條件下，數多的橫模可同時起振，有趣的是，這些模式具有相同的頻率和質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。

傳統激光器在相干光成像中，由于散射導致的干涉現象會形成散斑圖案，嚴重影響成像質量，如圖2（a）所示。而簡并腔激光器高亮度和低相干兼備的激光輸出有效避免了相干光成像中的散斑問題。在波前整形領域，一個關鍵的技術是找到一個合適的入射波前，使其通過散射介質后能夠形成一個能量較高的聚焦亮點。傳統方法通常通過測量并計算散射介質的傳輸矩陣來反演波前，或通過優化方法求解相應的逆問題，這類方法不可避免地需要多次測量和大量的后續計算處理。如圖2（b）所示，當在簡并腔腔內插入上述的散射介質時，結合腔內的小孔孔徑，諧振腔在起振過程中會自發找到一種的波前分布，從而實現了激光光場透過散射介質后的全光學自動聚焦，這就等價為腔外的波前整形技術，無需多次測量和電子計算機后處理。更有意思的是，假如保留簡并腔的基本腔體結構，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，此時該結構自然地對應于一種相干吸收體。如圖2（c）所示，研究人員在實驗中搭建了這一結構，并輸入了一個具有特定橫向分布的光場，結果發現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，無需任何計算或優化步驟，是一種對時間反向在物理學中的深刻理解。除此之外，研究人員構建了基于該腔體的多模渦旋光激光器，并將超表面結構的渦旋相位陣列插入腔體中的近場區域。如圖2（d）所示，該10×10的陣列中含有一個渦旋缺陷，也就是說在眾多拓撲荷為1的陣列中存在一個拓撲荷為2的結構，通過泰伯效應引入模間耦合后，該多模激光在簡并腔內振蕩時能夠自發地彌補該缺陷，使得輸出的激光陣列全部為拓撲荷為1的渦旋激光束。

圖2 基于簡并腔多模激光器的新型應用。(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，在新型激光器設計、現象、應用方面不斷煥發出生機。展望未來，多模激光器要走出實驗室還需解決多方面的挑戰，例如，如何實現任意的模式耦合關系和穩定的可調諧特性等。在物理層面，多模激光器涵蓋了激光動力學和光與物質相互作用等多個領域，是探索新現象和新應用的理想平臺。除此之外，隨著機器學習技術的發展，智能化多模激光系統有望成為研究和應用的新趨勢。

參考文獻： 中國光學期刊網

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