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(diào)控的智能混合策略，首次基于單一調(diào)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(diào)控，成功構建了高維光場多自由度調(diào)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(diào)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(diào)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(diào)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(diào)控多個激光自由度，且調(diào)控維度有限，成為制約高維光場調(diào)控集成化發(fā)展的瓶頸。如何在保證調(diào)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(diào)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(diào)控的智能混合調(diào)控策略，如圖1所示，充分挖掘不同激光自由度的最佳調(diào)控方式，將衍射理論、深度學習與幾何相位調(diào)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(diào)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。

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圖1.智能混合調(diào)控策略示意圖

所提出的激光光場智能混合調(diào)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(diào)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(diào)控SAM。

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圖2.激光光場智能混合調(diào)控策略的基本原理

研究團隊將基于智能混合調(diào)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(diào)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(diào)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(diào)控僅揭示了該混合智能調(diào)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(diào)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(diào)控，這種擴展能力將激發(fā)一系列前沿應用。

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圖3.6自由度288維光場調(diào)控的實驗驗證

該工作突破了高維光場調(diào)控的技術瓶頸，構建了激光光場多自由度精準協(xié)同調(diào)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。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01857-3