【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】在現(xiàn)代光學(xué)前沿，能夠產(chǎn)生特定空間形態(tài)結(jié)構(gòu)光場(chǎng)的激光器，是推動(dòng)光通信、精密加工與量子技術(shù)發(fā)展的核心引擎。然而，傳統(tǒng)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(jiàn)的高斯光束)，難以靈活生成復(fù)雜多樣的定制化光束，這成為制約相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。
 

　　近日，這一僵局被成功打破。華中科技大學(xué)光電信息學(xué)院秦應(yīng)雄教授團(tuán)隊(duì)取得重大原創(chuàng)性成果，在國(guó)際光學(xué)期刊《先進(jìn)光子學(xué)》上發(fā)表了最新研究。團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)了一種基于“逆Fox-Li架構(gòu)”的腔內(nèi)全息數(shù)字激光器，首次完全通過(guò)衍射理論設(shè)計(jì)出全新的全息諧振腔。這項(xiàng)技術(shù)如同為激光器裝上了“數(shù)字大腦”和“可編程模具”，能夠從光源內(nèi)部直接、高效地產(chǎn)生出任意預(yù)設(shè)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)光，實(shí)現(xiàn)了激光輸出模式從“固定生產(chǎn)”到“按需定制”的革命性跨越。
 

　　顛覆傳統(tǒng)：從“正向迭代”到“逆向設(shè)計(jì)”
 

　　傳統(tǒng)激光腔設(shè)計(jì)依賴于經(jīng)典的Fox-Li迭代算法，這是一種“正向”求解模式的方法，過(guò)程復(fù)雜且難以主動(dòng)預(yù)設(shè)輸出結(jié)果。秦應(yīng)雄團(tuán)隊(duì)的核心創(chuàng)新在于提出了與之對(duì)偶的 “逆Fox-Li”設(shè)計(jì)框架。
 

　　簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這一框架將設(shè)計(jì)邏輯完全反轉(zhuǎn)。研究團(tuán)隊(duì)以最終希望獲得的目標(biāo)光束為起點(diǎn)，逆向推導(dǎo)出諧振腔內(nèi)所需的光學(xué)調(diào)制元件。具體而言，他們以兩個(gè)級(jí)聯(lián)的“純相位全息圖”作為光學(xué)調(diào)制器，通過(guò)智能算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。當(dāng)光束在腔內(nèi)往返傳播時(shí)，會(huì)依次經(jīng)過(guò)這兩個(gè)全息圖以及其間的自由空間。精妙的相位調(diào)制與長(zhǎng)途衍射效應(yīng)相互配合，最終確保目標(biāo)光束在完成一次完整的往返旅程后，能夠完美地“自我復(fù)制”，從而實(shí)現(xiàn)該模式在激光腔內(nèi)的穩(wěn)定振蕩和輸出。
 

　　這種方法的最大優(yōu)勢(shì)是極高的靈活性和主動(dòng)性。研究人員只需在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)好全息圖，就能指令激光器輸出對(duì)應(yīng)的光場(chǎng)，徹底擺脫了傳統(tǒng)方案中依賴特殊光學(xué)元件或腔型、調(diào)試?yán)щy、模式有限的束縛。
 

　　神奇效果：從“高斯光斑”到“任意圖形”
 

　　實(shí)驗(yàn)成果生動(dòng)地展示了這一技術(shù)的強(qiáng)大能力。利用該全息數(shù)字激光器，研究團(tuán)隊(duì)不僅實(shí)現(xiàn)了高斯光束半徑的靈活調(diào)節(jié)，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(tǒng)、高度復(fù)雜的結(jié)構(gòu)光。
 

　　從團(tuán)隊(duì)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(jié)構(gòu)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(gè)前所未有的廣闊天地。
 

　　原理革新：用“智能損耗”實(shí)現(xiàn)“無(wú)損耗調(diào)控”
 

　　與以往在腔內(nèi)加入物體以引入損耗來(lái)篩選模式的思路不同，這項(xiàng)技術(shù)的另一精妙之處在于其獨(dú)特的模式調(diào)控機(jī)制。團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的純相位全息圖本身幾乎不吸收光能，它并非通過(guò)直接“阻擋”來(lái)抑制不需要的模式，而是通過(guò)“設(shè)計(jì)衍射”來(lái)實(shí)現(xiàn)智能化的模式選擇。
 

　　在復(fù)雜的自由空間衍射過(guò)程中，目標(biāo)模式被精心設(shè)計(jì)為損耗極小，可以穩(wěn)定存在；而其他非期望的模式則會(huì)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(shí)現(xiàn)了對(duì)激光模式極為精細(xì)和高效的調(diào)控，同時(shí)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(xiàng)研究不僅是一個(gè)理論和方法學(xué)的突破，更預(yù)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(yīng)用前景十分廣闊：在自由空間光通信領(lǐng)域，它可以同時(shí)產(chǎn)生多種攜帶不同軌道角動(dòng)量的光束，極大提升信道容量和數(shù)據(jù)傳輸速率；在光學(xué)微操控與生物顯微成像領(lǐng)域，科研人員可以直接獲得與目標(biāo)物體最匹配的照明或捕獲光場(chǎng)，如光學(xué)鑷子，從而提升實(shí)驗(yàn)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(fù)雜圖案，提高加工效率。
 

　　總之，華中科技大學(xué)秦應(yīng)雄團(tuán)隊(duì)這項(xiàng)開創(chuàng)性的工作，為結(jié)構(gòu)光激光源的發(fā)展提供了全新的、通用的設(shè)計(jì)范式。它用數(shù)字化的智能設(shè)計(jì)取代了傳統(tǒng)的物理試錯(cuò)，成功攻克了實(shí)用化道路上的關(guān)鍵瓶頸，有望在未來(lái)推動(dòng)多個(gè)光學(xué)前沿領(lǐng)域的跨越式發(fā)展。
 

　　該項(xiàng)研究主要由博士生李恒陽(yáng)和肖瑜副教授作為共同第一作者完成，徐剛教授和秦應(yīng)雄教授為共同通訊作者。