结构光束的产生与多维变换

结构光束这一领域的研究可以追溯到20世纪80年代，早期对于结构光束的研究是基于物理现象的探究，解释了来自激光腔的光强结构是如何形成的。之后的研究则逐渐向技术领域延伸，包括结构光束的生成、传输、变换和识别技术等。从传统的二维横向场到四维时空结构光和多维量子态，从轨道角动量到控制多个自由度构建高维结构光。过去三十年间，具有强度、相位与偏振空间（乃至时空）结构化分布的激光束受到了广泛关注与应用，也是激光物理和激光技术领域的共同关注点。

文章首先回顾了激光横模形成的理论基础，重点介绍了基于麦克斯韦-布洛赫（Maxwell-Bloch）方程描述的激光横模及空间结构的形成机制，然后介绍了近年来研究人员基于新型光束模型和本征横模叠加机理，阐释结构光束空间特征的特色工作。除了单纵模结构光束，该工作也讨论了多个纵模、引入时空维度的情况。综述了时空结构激光束的研究进展，包括利用光纤激光器的时空锁模效应直接产生技术、基于空间光调制器对脉冲整形的间接生成技术等。最后，研究人员将结构光束的转换向光谱维度拓展，介绍通过腔内、腔外非线性频率转换过程能够赋予结构光束更丰富的空间信息特征。

回顾近年的研究，国内外学者在激光空间特征的研究和理解上取得了一系列令人振奋的突破。然而，结构化激光束的研究方兴未艾，仍有许多现象、理论及技术手段有待探索和实践。该研究以结构光束的空间模式图案为主题，对近年来结构光空间模式的演变和发展进行了系统总结和梳理，为读者更好理解结构光束的形成，并掌握光束的生成与变换特性提供重要参考，助力结构光束研究向更高水平迈进。