《中国激光》杂志社旗舰期刊Advanced Photonics 2026年第一期以Propagation-discriminative on-demand laser in a holographic cavity为题在线发表了我院秦应雄-徐刚-唐霞辉团队在新一代全息数字激光器的研究中取得的创新性成果：团队首次提出基于逆Fox-Li设计框架，并完全由衍射理论设计的全息谐振腔（HoloCavity）。通过级联纯相位全息图的波前主动调控与长距离自由空间传播中的衍射损耗调制，实现了无辅助非平面光学元件的多手性模式同步自再现与抑制。这一新方案有望成为一种以相位全息为核心的数字激光谐振腔的通用设计范式，打破制约结构光激光源实用化的关键瓶颈。
背景介绍：
在现代光学技术领域，复杂多样的激光空间模式是支撑光通信、光学捕获、微纳加工、显微成像等多领域应用的核心基础。面向空间结构光场生成，基于定制激光谐振腔的主动方案，因其能从光源内直接生成目标光束，成为结构化光生成的重要探索方向。传统的离轴泵浦、腔镜局部损耗控制等方案虽能产生高阶厄米高斯（HG）或拉盖尔高斯（LG）模式，但输出光束的灵活性不足；而基于腔内可重构器件的数字激光器，在简并腔中实现了高任意性的模式自再现，但依赖额外光学接力系统；非简并腔中的基于宏像素法引入局部损耗的方案受困于手性鉴别能力不足等问题。这些局限导致腔内的光场调控始终无法利用腔外相位恢复已具备的丰富的优化手段，同时在面对携带相反轨道角动量(OAM)但强度分布相同的手性模式时，输出光束模式纯净度不足，严重制约其应用价值。
方法介绍：
为解决上述痛点问题，团队设计的逆Fox-Li框架与经典迭代形成对偶关系：经典Fox-Li迭代在固定腔体内迭代获得稳定输出模式分布，而逆Fox-Li设计则通过优化可变腔体配置，诱导目标模式实现自再现。算法中，以两个级联纯相位全息图为优化变量（如图1），首要目标是确保目标模式从输出耦合器出发，经依次调制及自由空间传播后返回OC时实现复振幅自再现；同时必须抑制非目标模式，尤其是反手性模式的自再现；为提升实验可行性，引入全变分正则化减少相位跳变。整体损失函数为上述三部分评价指标的加权和，采用梯度下降算法进行非线性优化。验证结果显示，目标模式的均方误差（MSE）在优化过程中下降3个数量级、保真度近1，非目标模式MSE上升且功率经20次渡越即衰减约30dB。
图1 逆Fox-Li设计的架构与有效性
该工作的另一个标志性突破是手性模式的准确鉴别和输出。此处全息腔内模式演化的断层重建表明（如图2b-e），不同初始状态，尤其是反手性模式作为初始态注入手性HoloCavity之后，在数十次渡越内会被转化为腔体预设的目标模式，直观展示了腔内模式演化的动态。
图2 HoloCavity中的模式演化过程
实验结果：
如图3实验中利用纯相位全息图，得到了高斯半径可调的基模高斯光束，同时直接输出LG1,1、HG4,4等高阶模式，以及六角螺母形中空光束、“X”形、“Y”形等任意自定义结构光束。HoloCavity打破了传统激光模式的基限制，实现了自定义复杂模式的直接生成。与传统腔内调制不同，HoloCavity的纯相位调制不引入直接损耗，而是通过定制化衍射损耗实现模式调控，其全息图设计无需与输出光束形成位置关联图案，而是通过波前整形与衍射在渡越过程中逐步重塑光束复振幅。实验捕获的SLM屏幕上的腔内强度分布，与模拟结果呈现高度一致性。不同相位初始解下获得的LG1,0,LG-1,0,LG2,0,和LG3,0模式手性光束（如图4）的强度分布和自干涉条纹图样证实了腔内手性光束直接选模和生成的有效性。
图3 实验中利用HoloCavity生成的结构光
图4 实验中利用HoloCavity生成的手性光束
此外，团队还针对无单向隔离器的环形腔中的顺时针与逆时针传播的光束的动量和轨道角动量进行了研究，通过两套迈克尔逊干涉仪分别探测双向输出光束，发现尽管传播方向相反，但两束光具有相同的OAM手性。这一性质的实验直接证明依赖于全息腔对双向运转光束具备类似的调控能力，而且同时具备强手性鉴别能力。
图5 HoloCavity中光束传输手性和OAM手性的联系
总结与展望：
团队创新性地提出逆Fox-Li设计框架，构建了一种全新的结构激光按需生成方案。它突破了传统腔内位置相关损耗的灵活性瓶颈，通过无损纯相位全息调控与自由空间传播，实现了精准的选择性模式自再现、助力复振幅完备的结构光生成，帮助理解环形腔内模式演化与手性守恒的新机制，为激光模式调控提供了通用且高效的工具。全息腔作为一种高效的即插即用型光源，既能为基于OAM复用的自由空间通信提供支持，又能通过从光源端直接生成高相干性的结构光，实现了为光学捕获与显微成像技术等应用方向按需定制优质光源。
团队创新性地提出逆Fox-Li设计框架，构建了一种全新的结构激光按需生成方案。它突破了传统腔内位置相关损耗的灵活性瓶颈，通过无损纯相位全息调控与自由空间传播，实现了精准的选择性模式自再现、助力复振幅完备的结构光生成，帮助理解环形腔内模式演化与手性守恒的新机制，为激光模式调控提供了通用且高效的工具。全息腔作为一种高效的即插即用型光源，既能为基于OAM复用的自由空间通信提供支持，又能通过从光源端直接生成高相干性的结构光，实现了为光学捕获与显微成像技术等应用方向按需定制优质光源。
本项工作完成过程中，博士生李恒阳和肖瑜副教授为共同第一作者，徐刚教授和秦应雄教授为共同通讯作者，研究生程世鹏、胡聪、王拂煦，博士后刘贺言以及张金伟教授为共同署名作者。华中科技大学光学与电子信息学院、武汉国家光电研究中心、激光加工国家工程研究中心、湖北光谷实验室、湖北省光学基础研究中心为论文完成单位。这项工作得到了国家自然科学基金面上项目、湖北省光谷实验室创新研究项目、国家重点研发计划课题计划等及湖北省光学基础研究中心开放课题资助。
秦应雄-徐刚-唐霞辉团队长期聚焦激光制造光场调控技术与器件的研究与产业化，承担国家自然科学基金、国家重点研发课题，省重大科技专项，省揭榜挂帅等项目和课题20余项。在自由曲面反射镜光场调控、材料内部多维度光场调控、激光动态调变等方面做了较为系统深入的工作，攻克了激光加工光学系统的光场匀化、三维调控、动态调变、高功率激光镜组研制等多个关键技术，研发的多项核心技术与装备，在10余家激光上市公司和行业龙头企业获得了应用。近年来团队在Advanced Photonics、Advanced Photonics Nexus、Optica、Physical Review Letters、Laser Photonics Review、ACS Photonics等权威期刊上发表论文30余篇，获得教育部科技进步一等奖1项，湖北省科技进步二等奖3项，中国光学重要成果奖1项。
