圖片來源：istock

01

結構光的歷史背景

激光的歷史可以追溯到半個多世紀以前，它不僅對許多研究學科而且對我們的日常生活都產生了深遠的影響。

梅曼的第一個光腔具有制造激光器所需的三個核心部分：一種增益介質，一種激發它的手段，以及一個光學諧振器，諧振模式的空間分布由平面-平面法布里-珀羅（FP）腔內的衍射"塑造"。

起初，人們認為只有平面波會在這樣的空腔中共振，幾乎沒有余地對輸出光的空間分布進行“裁剪”。

在這項開創性的工作之后，研究人員開始思考如何控制輸出場的結構形態，并成功展示了通過幅度濾波進行空間模式的控制，隨后使用相位濾波也實現了類似的效果，最近又結合了更多的自由度，如光的自旋和軌道角動量，并逐步朝著直接在光源處進行完全模式控制的最終目標邁進。

02

什么是結構光？

結構光來源于在空間和時間上“定制”光場的能力，前者是指對光場的振幅（強度）、相位（波前）和偏振的控制，而后者是指對光場的時間和頻譜的控制。

結構光已經逐漸發展成為光學領域中一種重要的工具，在成像、顯微鏡檢測、激光材料加工以及光通信等眾多領域中展現出巨大的應用前景。

圖一. 各種形式的結構光的示例

03

如何在激光器外部和內部產生結構光？

3.1設計方法

3.1.1 外部構建結構光

絕大多數結構光是在光源外部構建的標量場。有多種方法可以實現此目的，如圖2所示，根據允許的步驟數、要控制的自由度以及可接受的損耗量進行選擇。

第一種外部構建結構光的方法如圖2a所示，

單步式有損耗復振幅調制方法，可以對近場相位和振幅進行控制。使用透鏡組將輸出平面中繼到所需的位置，同時透鏡組還充當空間濾波器以去除不需要的光。此時輸出遠場的相位和振幅都已構造成所需的輪廓。

第二種外部構建結構光的方法如圖2b所示，

單步式無損耗純相位調制方法，可對輸出遠場振幅或近場相位進行整形，此時輸出遠場的相位未受控制。

第三種外部構建結構光的方法如圖2c所示，

兩步式無損耗純相位調制方法，可對輸出遠場中的相位和振幅進行整形。第一個元件構造所需的振幅，第二個元件校正相位。

圖二. 激光器外部構建結構光的方法

3.1.2 內部構建結構光

在諧振腔內部產生結構光的方法之間區別很大，這里我們以簡單的FP諧振腔為例進行介紹。基本的想法就是找到諧振腔的基本共振模式，即在每次往返之后以最低損耗重復的模式。

第一種內部構建結構光的方法如圖3a所示，

單步式有損耗振幅調制方法，通過在諧振腔內部放置一個振幅掩膜版，可以在空間上控制增益或損耗，以選擇所需的模式。

第二種內部構建結構光的方法如圖3b所示，

分級相位鏡調制方法, 可以設計一個分級相位反射鏡，通過相位控制產生一個諧振腔的共振模式，通常也要結合一些振幅控制。

第三種內部構建結構光的方法如圖3c所示，

兩步式無損耗純相位調制方法, 類似于第三種外部構建結構光的方法，將外部兩步整形方法插入激光腔內部，以實現內部結構光的構建。

圖三. 激光器內部構建結構光的方法

3.2實施方案

早期的結構光僅利用透射掩模進行振幅控制，而后期則采用計算機生成的全息圖（CGH）進行相位控制。CGH利用空間變化的深度d(x,y)來調整（動力學）相位。

隨后空間光調制器（SLM）的出現使深度得以保持固定，取而代之的是變化每個像素的局部折射率n(x,y)。

SLM的出現使得結構光得到快速發展，激發了無數的應用，尤其是在光通信、量子光學、成像、顯微鏡、激光材料加工以及光學捕獲和光鑷等領域。

目前已經能夠僅使用兩個SLM實現對光的偏振、相位和振幅的完全控制，以構建奇特的結構光圖案。通過分別構造每個偏振分量，然后通過干涉法將其組合，也是使用動力學相位來構建矢量光束的一種方式。

使用幾何相位來替代動力學相位，也可以構建奇特的光矢量狀態。

最初是使用空間變化的亞波長光柵超材料來實現，每個亞波長光柵都充當一個偏振器并伴隨著額外的光學相位變化。

后來，采用液晶、超表面和超材料也實現了類似的器件，并在構造攜帶軌道角動量（OAM）的標量和矢量結構光中取得了特別的成功。

之后，結合早期振幅掩膜版所采用的傅里葉技術，數字微鏡設備（DMDs）也能夠實現對光的振幅、相位和偏振態的完全控制，目前這種僅控制振幅來實現結構光的技術已經成為近期的研究熱點，并被用于構建多種形式的結構光。

04

各種類型的結構光激光器

4.1OAM 激光器

激光器的OAM模式是一種特殊的標量模式。

從激光腔中產生OAM模式通常需要插入特殊的光學元件。

最早報道的OAM模式是產生于二氧化碳激光器中。該激光器使用腔內柱面透鏡控制相位并結合螺旋相位板，從而產生具有特定螺旋度的OAM模式。

從那時起，OAM激光器不斷發展，并取得了眾多進展。目前激光器輸出OAM模式的最高螺旋度為l = 288，這是由刻在鏡面上的環形振幅掩模產生的，部分結果如圖4所示。

圖四. 高OAM結構光

產生矢量渦旋光束是產生OAM光束的一個擴展，特別是徑向和方位角偏振光的產生。

如圖5所示，使用具有偏振選擇性反射的腔內軸錐，可產生徑向偏振的環形和弧形結構光。

圖五. 徑向偏振環形結構光

OAM和波長的可調性在通訊和生物采樣領域是一個熱門話題。

如圖6所示的是混合自由空間和光纖平臺上實現的可重構渦旋激光器。

該激光器將光纖激光器的概念與帶有SLM的動態腔內模式控制相結合，形成渦旋光束，可在Δλ = 35 nm和Δl = 10范圍內調節波長和螺旋度。

圖六. 可調渦旋激光器

4.2基于其他幾何結構的結構光激光器

到目前為止，所描述的激光器都假定存在一個諧振腔，在每次往返后輸出所需的模式。拋棄這個概念之后能夠構建更多奇異的結構光激光器。

基于共聚焦不穩定諧振腔的激光器，其輸出模式如圖7所示。

這種激光器除了簡單的光圈和傳統的拋光球面鏡外沒有其他內部元件，但可以輸出復雜的分形結構光圖案。

圖七. 來自非穩腔的分形結構光

基于腔內二維微球陣列的混合微型激光器是產生分形結構光的另一種方法，如圖8所示。

通過調節腔體長度和球體幾何形狀，這種混合激光器可以從球體中輸出拉蓋爾-高斯（Laguerre–Gaussian）光束、厄米-高斯（Hermite–Gaussian）光束和因斯-高斯（Ince–Gaussian）光束。

圖八. 來自混合微型激光器的分形結構光

基于象散諧振腔的萬花筒激光器，產生自象散激光腔的多個厄米-高斯光束穿過圓柱透鏡并相互疊加，以形成這些奇特的類似分形的結構光——萬花筒模式，如圖9所示。

圖九. 萬花筒激光模式

基于無序結構的無光腔隨機激光器，目前為止討論的激光器都是利用光學諧振腔實現的，通過利用激光器中的無序結構（例如粉末、液晶）可以在沒有諧振腔的情況下實現激光作用——即隨機激光器。

最近研究表明，可以通過控制納米結構的方向和密度來控制隨機激光器輸出光場的空間結構，如圖10所示。

圖十. 受控隨機激光模式

4.3基于結構化物質的結構光激光器

除了采用特殊的光腔結構，結構化物質在結構光激光的設計中也發揮重要作用。

當傳統激光器的概念與拓撲光子學的思想相結合，從結構化物質腔中產生結構光，這著實令人興奮。目前，光子晶體納米微腔和拓撲絕緣體已被用于結構光的產生。

最新進展是在半導體微型激光器中使用時間反轉對稱性來控制輸出OAM模式的螺旋度。

如圖11所示，微柱結構被手性泵浦所激發，激發出的OAM模式的螺旋度由泵浦光的旋向控制。

圖十一. 來自微型激光器的手性控制

05

總結

5.1結構光激光器的優勢

1、激光是天然的過濾器，可以用來消除不需要的模式，與外部方法相比，可以同時提高模式的純度和功率。

2、外部構建結構光引入的損耗無法輕易克服，而結構光激光器可以通過增加泵浦功率來補償。3、結構光激光器更加易于實現片上集成。

4、結構光激光器作為整體化的解決方案，在未來的市場化應用中具有明顯優勢。

5.2結構光激光目前遇到的瓶頸

1、功率受限

受光束整形元件自身功率閾值的限制，大多數結構化光激光器的功率較低。新材料的使用，包括超表面的應用，將來可能會克服這一局限性；此外采用結構光放大器也是一個值得考慮的方案。

2、設計方法受限

另一個緊迫的局限性是設計方法本身。當前，大多數設計技術中的重點是確定最低階諧振模式，但未考慮可能的高階模式。未來需要努力發展出通用的設計方法。

總之，盡管目前在結構光激光器領域已經取得了巨大的進步，但是在設計方法，實現方式以及實際器件方面仍然存在著廣闊的機遇。