封面以多模激光器为核心，展示了多种谐振腔的形式和特点。谐振腔镜及腔内循环往复的多条激光束象征着激光形成的基本原理，在形成稳定振荡后，不同的多模激光器蕴含着丰富且各异的物理现象，并有望为激光器的新型应用提供新的途径和工具。作为几个有代表性的例子，封面从左至右依次诠释了缺陷自愈的涡旋光阵列激光器、复杂光谱随机激光器、简并腔激光器以及光子网络激光器。
随着激光技术的发展，人们对激光腔的理解不断深入，激光器的控制技术也日益成熟，引发了对多模激光器的研究热潮。多模激光器打破了传统单一模式的限制，提供了更丰富的物理现象，并拓展了激光器的应用场景。那么，什么是多模激光器呢？搞清楚这个问题首先需要理解什么是激光的模式。本文所探讨的横模主要基于激光的空间相干性进行定义：达到稳定振荡后，激光光场中彼此相干的空间点属于同一横模，互不相干的空间点属于不同的横模。不同的激光器结构具有不同的本征横模，例如传统圆形镜、方形镜球面腔分别具有拉盖尔-高斯、厄米-高斯本征横模（感兴趣的读者可阅读Adv. Opt. Photon. 11, 679-825 (2019)，充分理解光学中的模式）。
多模激光器作为一种高度灵活和可调控的光源，引发了一系列科研问题，如：如何准确表征和研究非传统激光器？如何有效控制多个横模之间的耦合关系？如何实现可调谐激光输出？如何实现超大规模的模式多样性？如何充分利用多模式的起振机理拓宽应用范围？本文主要围绕固体激光器，通过探讨从单模激光到多模激光的技术演进，阐述了近年来多种多样的非传统激光器研究热点。
简并腔激光器是一种具有特殊腔体结构的激光器，其基本结构如图1（a）所示，由前后两个腔镜、大横截面积增益介质和一个4F系统组成。由于腔内4F系统的存在，腔内模式往返满足自成像关系，因此在理想情况下，腔的光场分布变换矩阵是单位阵，任意光场分布都是腔的本征模式，这些本征模式都具有相同的本征值。换言之，这些本征模式具有相同的损耗，它们的损耗是“简并”的，因此这类腔被称为简并腔。在未引入其他限制时，腔内的诸多模式是互不相干、独立存在的，这与传统激光器的高相干性非常不同。通过在远场平面引入孔径限制，这些模式在起振的过程中建立联系，此时输出光重新具有了高相干性。
随机激光器利用无序散射介质提供谐振腔的反馈作用，而并不依赖谐振腔镜，通过光在无序介质中发生多重随机散射来实现激光输出，如图1（b）所示。在随机激光器中，不同频率和空间结构的光学模式同时被放大，并相互耦合和叠加，在宽光谱范围内朝各个方向辐射。因此，随机激光往往具有模式数多、相干性低、方向性差、空间分布复杂和光谱特征丰富的特点。
如图1（c）所示，当向传统的回音壁模式微腔引入特定的形变构成D形、跑道形等微腔结构时，腔内的光线演化将展现出混沌特性，使得光强在腔内的分布趋于更加均匀，因此大量不同结构的激光模式具有相近的高Q值和较小的增益竞争，能够同时起振。
在光子网络激光器中，增益介质离散地分布在不同的空间位置，并通过单模波导相互连接，形成物理上的网络结构，可被视为随机激光器的进一步拓展，如图1（d）所示。这种设计不仅产生了包括随机激光输出等多种有趣的物理现象，还与复杂网络科学、光散射、量子图等产成了巧妙的联系。
图1 (a) 简并腔激光器；(b) 随机激光器；(c) 混沌激光器；(d) 光子网络激光器
得益于这些激光器特殊的结构和激光输出，研究人员开发了多种新型的激光光源应用场景。以简并腔激光器为例，根据腔内的自成像特性，在合适的泵浦条件下，数多的横模可同时起振，有趣的是，这些模式具有相同的频率和质量因子但彼此并不相干，因此这些模式相互叠加输出之后的光束既具有高亮度，又具有低相干性。
传统激光器在相干光成像中，由于散射导致的干涉现象会形成散斑图案，严重影响成像质量，如图2（a）所示。而简并腔激光器高亮度和低相干兼备的激光输出有效避免了相干光成像中的散斑问题。在波前整形领域，一个关键的技术是找到一个合适的入射波前，使其通过散射介质后能够形成一个能量较高的聚焦亮点。传统方法通常通过测量并计算散射介质的传输矩阵来反演波前，或通过优化方法求解相应的逆问题，这类方法不可避免地需要多次测量和大量的后续计算处理。如图2（b）所示，当在简并腔腔内插入上述的散射介质时，结合腔内的小孔孔径，谐振腔在起振过程中会自发找到一种最优的波前分布，从而实现了激光光场透过散射介质后的全光学自动聚焦，这就等价为腔外的波前整形技术，无需多次测量和电子计算机后处理。更有意思的是，假如保留简并腔的基本腔体结构，但将增益替换为吸收型损耗，借助于简并腔可支持任意空间模式的物理事实，此时该结构自然地对应于一种相干完美吸收体。如图2（c）所示，研究人员在实验中搭建了这一结构，并输入了一个具有特定横向分布的光场，结果发现简并腔能够几乎完美地吸收该光场。更为重要的是，这一过程适用于任意波前，完全自动化，无需任何计算或优化步骤，是一种对时间反向在物理学中的深刻理解。除此之外，研究人员构建了基于该腔体的多模涡旋光激光器，并将超表面结构的涡旋相位阵列插入腔体中的近场区域。如图2（d）所示，该10×10的阵列中含有一个涡旋缺陷，也就是说在众多拓扑荷为1的阵列中存在一个拓扑荷为2的结构，通过泰伯效应引入模间耦合后，该多模激光在简并腔内振荡时能够自发地弥补该缺陷，使得输出的激光阵列全部为拓扑荷为1的涡旋激光束。
图 2 基于简并腔多模激光器的新型应用。(a) 消散斑成像；(b) 波前整形；(c) 相干完美吸收；(d) 涡旋缺陷自愈
多模激光器作为激光物理的研究前沿，充分融合了光子的多个自由度，突破了单模激光器的物理限制，在新型激光器设计、现象、应用方面不断焕发出生机。展望未来，多模激光器要走出实验室还需解决多方面的挑战，例如，如何实现任意的模式耦合关系和稳定的可调谐特性等。在物理层面，多模激光器涵盖了激光动力学和光与物质相互作用等多个领域，是探索新现象和新应用的理想平台。除此之外，随着机器学习技术的发展，智能化多模激光系统有望成为研究和应用的新趋势。
清华大学先进激光技术团队着眼于光电子技术领域的科学与技术发展前沿，围绕光纤激光、固体激光、自适应光学、激光探测等方向，开展基础前沿探索、应用基础研究和系统装备研发，覆盖高功率激光光源、光束控制、光电探测等技术领域。主持了国家科技重大专项、国家重点研发计划、GF973计划、重点验证、专项配套、型号研究等系列重大项目，2019年入选国家重点领域科技创新团队，2020年建成光子测控技术教育部重点实验室，2023年作为重要方向获批时空信息精密感知技术全国重点实验室。团队负责人柳强教授。现有人员60余人，教授5人，副教授6人， 助理研究员1人。其中包括长江学者特聘教授、卓越青年基金获得者、国家优青基金获得者、国家青年拔尖人才、973首席科学家、国家重点研发计划首席等。
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