滨松空间光调制器助力新一代全息数字激光器领域取得重大突破

图1.逆向Fox-Li设计与全息腔的概念。(a)Fox-Li迭代流程，已知变量用勾号表示，待确定变量用问号表示;(b)逆向Fox-Li设计流程。减号表示计算差值;(c)全息腔实验装置;R1至R4：平面反射镜;SLM：纯相位空间光调制器;HWP：半波片;PBS：偏振分束器;Φ1和 Φ2为并排排列SLM屏幕上的相位图案。(d)全息腔单程传输的等效模型。

近些年来，激光空间模式已推动了光通信、微纳加工、显微成像等领域各种各样的灵活应用，光束整形也因此成为了近期研究前沿。 其中，采用定制激光谐振腔的主动方案可在光源端直接生成所需的光束，相对于依赖腔外光学元器件的被动方案有巨大的优势。

在设计实际腔体的过程中，已经成功采用了多种设计方案。例如，使用离轴泵浦可以产生高阶厄米-高斯(HG)模式和拉盖尔-高斯(LG)模式，但限制了可实现的输出光束的任意性。使用自由曲面和可变性表面作为端面镜可以实现更复杂的光束，但在高分辨率下的精确控制存在困难。基于腔内可重构器件的数字激光器，在简并腔中实现了基模的自再现和任意模式输出，但必须配合额外的光中继系统。基于宏像素的非简并腔在手性分辨能力上存在缺陷。

近日，华中科技大学光电学院秦应雄-徐刚-唐霞辉团队发表了一篇名为《Propagation-discriminative on-demand laser in a holographic cavity》的论文，团队通过级联纯相位全息图主动调控波前，并在长距离自由空间传播过程中调控衍射损耗，实现了无需任何辅助非平面光学元件即可同时实现多个手性模式的自复制与抑制。

实验方法

文章研究提出了一种克服上述局限性的逆向Fox-Li设计框架，其灵感源自经典的Fox-Li迭代算法。如图1(a)所示，Fox-Li迭代通过在已知腔体中引入随机光分布进行连续计算，巧妙模拟光的往返过程并产生稳定的输出模式。与此相对应的是，图1(b)展示了文章的逆向Fox-Li设计：初始采用随机腔体传输函数进行初始化，并通过迭代约束确保经历完整往返的激光仍能保持与初始状态的高度相似性。此外，为实现精确的模式区分，这种方法特别关注非目标模式，通过在相同腔体配置中设置定向性极强的衍射损耗，并结合专门设计的传输函数来实现精准的模式识别。

文章验证了图1(c)所示全息腔的逆向Fox-Li设计。其等效模型如图1(d)所示，仅包含自由空间传播和纯相位调制，且泵浦光在空间上均匀分布。仿真与实验表明，所提出的通用按需激光设计策略实现了优异的模式区分度(包括手性)，并证实了全息腔中两个反向传播光束的手性特性。

实验结果

图2展示了在全息腔中生成各种结构光的过程。首先，在图2(a)和2(b)中生成了半径分别为0.2毫米和0.6毫米的高斯基模，并通过所示的相位全息图实现光束尺寸控制。一维强度分布与理论分布高度吻合。图2(c)进一步展示了直接从全息腔输出的LG1，1和HG4，4模式光束。

目标输出不一定是标准基底，可以任意定义。典型分布如图2(d)和2(i)所示，包括六角螺母形状的空心中心梁以及“Y”形和“X”形梁。此外，图2(i)中梁的全息腔配置的独特之处在于采用类似于腔外相位调制的纯波前控制，而非利用器件表面产生的局部损耗。值得注意的是，图2(e)中的相位全息图所使用的纯相位调制不会引入直接损耗，而自由空间传播中则会出现针对不同模式定制的衍射损耗。图2(f)中的断层可视化展示了“X”形光束在单次往返中的自复制过程，突显出全息图和衍射会逐渐重塑光束。图2(g)和2(h)展示了SLM屏幕上的强度分布，前者是模拟结果，后者是用手机摄像头拍摄的屏幕表面弱激光散射。从视觉上看，实验和模拟的强度高度一致。

图2.实验中直接由全息腔生成的结构光。(a)和(b)是级联相位全息图以及捕获的高斯半径为0.2和0.6毫米的基本高斯模式的强度分布。虚线所示的强度已给出并与标准模式进行比较。(c)显示LG1，1模式与HG4，4模式的强度分布。(d)和(i)是任意定义的结构光，形状为六角螺母、“Y”和“X”图案。目标分布显示在其右上角，并通过高斯模糊预处理来减少强度突变。(e)展示了生成面板(i)中的全息图。(f)展示了单次往返中腔内光的振幅，并标注了全息平面 Φ1和 Φ2的位置。颜色与透明度共同用于表示光振幅。每个切片中的振幅分布均相对于整体最大值进行归一化。(g)和(h)对比了调制平面(即SLM屏幕)上模拟与实验捕获的腔内强度分布。

图3展示了利用手性全息腔生成的手性光束。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.由手性全息腔产生的具有轨道角动量的手性光束。(a)-(c)展示了在三次不同初始猜测(二次相位、螺旋相位和线性倾斜相位)下单次往返的腔内光振幅，分别给出了初始猜测和优化后的相位全息图，体腔中绿色标记的区域对应于两个全息图之间的区段。(d)-(f)展示了输出光束强度分布和自干涉图案，分别标注了用于识别轨道角动量阶的叉形结构。(g)-(i)分别为LG −1，0、LG 2，0和LG3，0模式的输出光束强度分布和自干涉图案。

总结

文章创新性地提出了一种基于逆向Fox-Li的结构激光生成方案，这一设计将推动固态激光器和薄片式激光器的创新，其在精确手性模式调制方面的卓越表现是局部损耗工程无法实现的。将这一概念移植到微环激光器中，通过优化波导几何结构和折射率梯度，可能有助于实现空间模式控制。此外，全息腔作为高效的即插即用光源，不仅能支持基于轨道角动量复用的自由空间通信，还能通过提供高相干性光源的可访问结构光，为光学捕获和显微成像技术提供支持。

图4.滨松空间光调制器(LCOS-SLM)

此实验中的关键器件SLM为滨松光子所研发的空间光调制器LCOS-SLM(如图4)。滨松LCOS-SLM为纯相位调制反射式器件，可通过每个像素上液晶分子的翻转来自由调制光程，进而调制相位。滨松LCOS-SLM不同波长和功率阈值对应的型号，以及详细参数，见以下图5、图6。

图5.滨松LCOS-SLM的各型号适用的波长与功率

图6.滨松LCOS-SLM的各项参数