圖1.智能混合調控策略示意圖

近日，北京理工大學光電學院付時堯教授、高春清教授團隊報道了一種用于光場高維多自由度調控的智能混合策略，首次基于單一調控器件實現(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)同調控，成功構建了高維光場多自由度調控新范式。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技術大學和清華大學，其中北京理工大學為唯一第一及通訊作者單位。論文第一作者為光電學院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協(xié)同調控及維度拓展是獲得高維結構光場的核心，是光互聯(lián)、光存儲、光計算、量子信息等高維光場應用領域的根基。然而，現(xiàn)有多自由度調控技術往往需分步，依賴龐大光學系統(tǒng)或復雜元件，難以在單一器件上同時調控多個激光自由度，且調控維度有限，成為制約高維光場調控集成化發(fā)展的瓶頸。如何在保證調控精度的前提下，通過單一光學器件實現(xiàn)光場多自由度的按需協(xié)同調控，實現(xiàn)真正的高維光場定制，是亟待解決的關鍵科學難題。

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)同調控的智能混合調控策略，如圖1所示，充分挖掘不同激光自由度的最佳調控方式，將衍射理論、深度學習與幾何相位調控深度融合，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按需協(xié)同調控，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，可在光學系統(tǒng)中“即插即用”，無需復雜校準，兼容多任務場景，使用方式靈活。

所提出的激光光場智能混合調控策略的基本原理及流程如圖2所示，通過衍射理論設計相位分布，精確控制光場傳播方向與初始相位;利用神經(jīng)網(wǎng)絡生成全息圖，高效解決多模式OAM疊加的強度串擾問題，進而調控OAM、振幅和模場分布;最后基于光子自旋霍爾效應，通過幾何相位調控SAM。

圖2.激光光場智能混合調控策略的基本原理

研究團隊將基于智能混合調控策略優(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)同調控。該技術最終產(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維光場調控僅揭示了該混合智能調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)了單衍射光學器件同時調控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)千維級光場調控，這種擴展能力將激發(fā)一系列前沿應用。

圖3.6自由度288維光場調控的實驗驗證

該工作突破了高維光場調控的技術瓶頸，構建了激光光場多自由度精準協(xié)同調控的新范式，開創(chuàng)了“高維光子學”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發(fā)展提供支撐。

審核編輯 黃宇