在现代光学前沿，能够产生特定空间形态结构光场的激光器，是推动光通信、精密加工与量子技术发展的核心引擎。然而，传统激光谐振腔受物理原理限制，往往只能输出有限几种模式(如常见的高斯光束)，难以灵活生成复杂多样的定制化光束，这成为制约相关领域发展的一个关键技术瓶颈。
近日，这一僵局被成功打破。华中科技大学光电信息学院秦应雄教授团队取得重大原创性成果，在国际光学期刊《先进光子学》上发表了最新研究。团队首创了一种基于“逆Fox-Li架构”的腔内全息数字激光器，首次完全通过衍射理论设计出全新的全息谐振腔。这项技术如同为激光器装上了“数字大脑”和“可编程模具”，能够从光源内部直接、高效地产生出任意预设的复杂结构光，实现了激光输出模式从“固定生产”到“按需定制”的革命性跨越。
颠覆传统：从“正向迭代”到“逆向设计”
传统激光腔设计依赖于经典的Fox-Li迭代算法，这是一种“正向”求解模式的方法，过程复杂且难以主动预设输出结果。秦应雄团队的核心创新在于提出了与之对偶的 “逆Fox-Li”设计框架。
简单来说，这一框架将设计逻辑完全反转。研究团队以最终希望获得的目标光束为起点，逆向推导出谐振腔内所需的光学调制元件。具体而言，他们以两个级联的“纯相位全息图”作为光学调制器，通过智能算法进行优化设计。当光束在腔内往返传播时，会依次经过这两个全息图以及其间的自由空间。精妙的相位调制与长途衍射效应相互配合，最终确保目标光束在完成一次完整的往返旅程后，能够完美地“自我复制”，从而实现该模式在激光腔内的稳定振荡和输出。
这种方法的最大优势是极高的灵活性和主动性。研究人员只需在计算机上设计好全息图，就能指令激光器输出对应的光场，彻底摆脱了传统方案中依赖特殊光学元件或腔型、调试困难、模式有限的束缚。
神奇效果：从“高斯光斑”到“任意图形”
实验成果生动地展示了这一技术的强大能力。利用该全息数字激光器，研究团队不仅实现了高斯光束半径的灵活调节，更令人印象深刻的是，成功让激光器直接输出了各种非传统、高度复杂的结构光。
从团队公布的成果图可以看到，激光器可以轻松生成边界清晰的六角螺母形中空光束、笔画分明的 “X”形与“Y”形光束，以及其他多种自定义的二维结构光图案。这些光束具有很高的纯度和相干性，证明了该方案能够真正打破激光模式的“基模限制”，将激光输出的可能性拓展到了一个前所未有的广阔天地。
原理革新：用“智能损耗”实现“无损耗调控”
与以往在腔内加入物体以引入损耗来筛选模式的思路不同，这项技术的另一精妙之处在于其独特的模式调控机制。团队设计的纯相位全息图本身几乎不吸收光能，它并非通过直接“阻挡”来抑制不需要的模式，而是通过“设计衍射”来实现智能化的模式选择。
在复杂的自由空间衍射过程中，目标模式被精心设计为损耗极小，可以稳定存在；而其他非期望的模式则会在传播中因衍射而自然耗散。这种 “定制化衍射损耗” 的概念，实现了对激光模式极为精细和高效的调控，同时保证了激光器的工作效率。
广阔前景：即插即用的“定制化光源”
这项研究不仅是一个理论和方法学的突破，更预示着一种全新的高性能光源范式的诞生。论文将这种激光器描述为一种高效的 “即插即用型”定制化光源。
其应用前景十分广阔：在自由空间光通信领域，它可以同时产生多种携带不同轨道角动量的光束，极大提升信道容量和数据传输速率；在光学微操控与生物显微成像领域，科研人员可以直接获得与目标物体最匹配的照明或捕获光场，如光学镊子，从而提升实验的精度与效果；在激光微纳加工中，特殊光束形状能直接“打印”出复杂图案，提高加工效率。
总之，华中科技大学秦应雄团队这项开创性的工作，为结构光激光源的发展提供了全新的、通用的设计范式。它用数字化的智能设计取代了传统的物理试错，成功攻克了实用化道路上的关键瓶颈，有望在未来推动多个光学前沿领域的跨越式发展。
该项研究主要由博士生李恒阳和肖瑜副教授作为共同第一作者完成，徐刚教授和秦应雄教授为共同通讯作者。
