【儀表網 研發快訊】在現代光學前沿，能夠產生特定空間形態結構光場的激光器，是推動光通信、精密加工與量子技術發展的核心引擎。然而，傳統激光諧振腔受物理原理限制，往往只能輸出有限幾種模式(如常見的高斯光束)，難以靈活生成復雜多樣的定制化光束，這成為制約相關領域發展的一個關鍵技術瓶頸。
近日，這一僵局被成功打破。華中科技大學光電信息學院秦應雄教授團隊取得重大原創性成果，在國際光學期刊《先進光子學》上發表了最新研究。團隊首創了一種基于“逆Fox-Li架構”的腔內全息數字激光器，首次完全通過衍射理論設計出全新的全息諧振腔。這項技術如同為激光器裝上了“數字大腦”和“可編程模具”，能夠從光源內部直接、高效地產生出任意預設的復雜結構光，實現了激光輸出模式從“固定生產”到“按需定制”的革命性跨越。
顛覆傳統：從“正向迭代”到“逆向設計”
傳統激光腔設計依賴于經典的Fox-Li迭代算法，這是一種“正向”求解模式的方法，過程復雜且難以主動預設輸出結果。秦應雄團隊的核心創新在于提出了與之對偶的 “逆Fox-Li”設計框架。
簡單來說，這一框架將設計邏輯完全反轉。研究團隊以最終希望獲得的目標光束為起點，逆向推導出諧振腔內所需的光學調制元件。具體而言，他們以兩個級聯的“純相位全息圖”作為光學調制器，通過智能算法進行優化設計。當光束在腔內往返傳播時，會依次經過這兩個全息圖以及其間的自由空間。精妙的相位調制與長途衍射效應相互配合，最終確保目標光束在完成一次完整的往返旅程后，能夠完美地“自我復制”，從而實現該模式在激光腔內的穩定振蕩和輸出。
這種方法的最大優勢是極高的靈活性和主動性。研究人員只需在計算機上設計好全息圖，就能指令激光器輸出對應的光場，徹底擺脫了傳統方案中依賴特殊光學元件或腔型、調試困難、模式有限的束縛。
神奇效果：從“高斯光斑”到“任意圖形”
實驗成果生動地展示了這一技術的強大能力。利用該全息數字激光器，研究團隊不僅實現了高斯光束半徑的靈活調節，更令人印象深刻的是，成功讓激光器直接輸出了各種非傳統、高度復雜的結構光。
從團隊公布的成果圖可以看到，激光器可以輕松生成邊界清晰的六角螺母形中空光束、筆畫分明的 “X”形與“Y”形光束，以及其他多種自定義的二維結構光圖案。這些光束具有很高的純度和相干性，證明了該方案能夠真正打破激光模式的“基模限制”，將激光輸出的可能性拓展到了一個前所未有的廣闊天地。
原理革新：用“智能損耗”實現“無損耗調控”
與以往在腔內加入物體以引入損耗來篩選模式的思路不同，這項技術的另一精妙之處在于其獨特的模式調控機制。團隊設計的純相位全息圖本身幾乎不吸收光能，它并非通過直接“阻擋”來抑制不需要的模式，而是通過“設計衍射”來實現智能化的模式選擇。
在復雜的自由空間衍射過程中，目標模式被精心設計為損耗極小，可以穩定存在；而其他非期望的模式則會在傳播中因衍射而自然耗散。這種 “定制化衍射損耗” 的概念，實現了對激光模式極為精細和高效的調控，同時保證了激光器的工作效率。
廣闊前景：即插即用的“定制化光源”
這項研究不僅是一個理論和方法學的突破，更預示著一種全新的高性能光源范式的誕生。論文將這種激光器描述為一種高效的 “即插即用型”定制化光源。
其應用前景十分廣闊：在自由空間光通信領域，它可以同時產生多種攜帶不同軌道角動量的光束，極大提升信道容量和數據傳輸速率；在光學微操控與生物顯微成像領域，科研人員可以直接獲得與目標物體最匹配的照明或捕獲光場，如光學鑷子，從而提升實驗的精度與效果；在激光微納加工中，特殊光束形狀能直接“打印”出復雜圖案，提高加工效率。
總之，華中科技大學秦應雄團隊這項開創性的工作，為結構光激光源的發展提供了全新的、通用的設計范式。它用數字化的智能設計取代了傳統的物理試錯，成功攻克了實用化道路上的關鍵瓶頸，有望在未來推動多個光學前沿領域的跨越式發展。
該項研究主要由博士生李恒陽和肖瑜副教授作為共同第一作者完成，徐剛教授和秦應雄教授為共同通訊作者。
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