近日，我院光电子智能器件与系统团队与澳大利亚皇家墨尔本理工大学CAN中心合作，在结构光场可切换的超快光纤激光器研究方面取得新进展。研究团队提出并实验实现了一种基于腔内时空协同调控的可重构超快光纤激光器，获得84种光场模式可切换的超快脉冲激光输出，包括拉盖尔-高斯（LG）、轨道角动量（OAM）和厄米-高斯（HG）等多类结构光场模式的按需切换。相关成果以“Intracavity Ultrafast Fiber Lasers With On-Demand and Reconfigurable Structured Modes”为题，发表于国际知名期刊《Laser & Photonics Reviews》。

结构光可通过对光场振幅、相位和偏振进行精细调控，形成具有特定空间分布的光束。其中，LG光束可携带轨道角动量，花瓣状LG叠加模式适用于精密传感与测量，HG光束则在自由空间传输中表现出较好的抗扰动能力。将这些结构化空间模式与飞秒脉冲相结合，可为高分辨成像、光学操控、激光微纳加工和大容量光通信提供新的光源。传统结构光场的产生一般采用激光腔外模式转换元件，系统集成度和能量利用率受到额外引入的光路限制。而集成度更高的模式可重构数字激光器又主要工作在连续光状态。原因在于，对于宽光谱飞秒脉冲，空间相位器件在激光腔内的引入，会带来巨大的模式色散，从而导致不同高阶模式的锁模条件也难以同时满足。此外，对于光纤激光器，高阶结构与光纤之间的耦合，也限制了结构光场光纤激光器的自由度和实用性。针对上述难题，研究团队将空间光调制器（SLM）与偏振分束器（PBS）协同集成到掺铒光纤激光腔内，并结合非线性偏振旋转锁模机制，实现了对激光空间模式和时域脉冲的同步调控。SLM通过数字化相位图和超像素编码，可同时调节局部振幅与相位；PBS则利用偏振选择性，将经调制的结构光作为激光输出，同时把未调制的基模重新耦合回单模光纤，以维持激光振荡。该设计既避免了结构光与光纤的耦合问题，也降低了宽带飞秒光束经空间调制产生色散所带来的影响。

实验结果表明，该激光器可以实现84种不同模式的超快脉冲激光输出，数量较传统结构光场激光器提升约一个数量级。其中，OAM模式的拓扑荷可在-10至+10之间切换，花瓣状LG模式可获得多种径向和角向分布，HG模式的两个阶数均可调至六阶。输出脉冲持续时间约为800 fs，重复频率为9.09 MHz，射频信噪比约40 dB。在878 mW最大泵浦功率下，代表性OAM模式的平均输出功率最高达到18.44 mW，估算单脉冲能量最高达到2.03 nJ。研究团队还基于耦合金兹堡-朗道方程对腔内脉冲演化进行了数值模拟，揭示了偏振辅助反馈与锁模形成机制。在当前腔体参数下，系统稳定工作于噪声类脉冲状态：宽脉冲包络中包含大量随机分布的飞秒子脉冲。仿真结果与实验测得的光谱、脉冲序列、射频频谱和自相关曲线相互印证，表明该激光器能够在不同空间模式切换的同时仍保持稳定的超快脉冲输出。

图1 （a）（b）可重构超快结构光场光纤激光器示意图；（c）（d）花瓣状结构光仿真与实验结果

图2 多种脉冲LG、OAM和HG结构光模式理论与实验对比

该研究将数字化空间光场调控从连续光数字激光器拓展到超快光纤激光器，建立了兼具按需切换、模式数量多、结构紧凑和可扩展性的腔内超快结构光场光源。得益于噪声类脉冲的宽光谱和部分时间相干特性，该光源还可作为高功率主振荡器放大系统的种子源，并为部分相干结构光、时空涡旋光以及自适应超快光子系统的研究提供新路径。相关成果有望应用于激光微纳加工、先进成像、光学粒子操控、非线性光学和模式复用光通信等领域。

该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、安徽省省级科技攻坚创新等项目的资助。合肥工业大学物理学院博士生陈凯为论文第一作者，物理学院方文坛副教授、高伟清教授和澳大利亚皇家墨尔本理工大学贾宝华教授为论文共同通讯作者。

论文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.71432

（图、文/方文坛、陈凯 审核/高伟清）