中国研发团队实现激光光束形状“自由定制”

近日，哈尔滨工业大学（深圳校区）宋清海、肖淑敏教授科研团队在激光技术领域取得重要突破，成功攻克了传统激光模斑形状、偏振、角动量受限的技术瓶颈，创新性开发出可自由调控发射波前的新型激光光源。

研究成果以《具有任意形状发射波前的元激光器》（Metalasers with arbitrarily shaped wavefront）为题，发表在《自然》（Nature）上。哈工大深圳校区为论文第一完成单位和通讯单位。深圳校区博士后曾益轩和博士研究生沙新博、张弛为论文第一作者。深圳校区宋清海、肖淑敏教授，鹏城实验室余少华院士，澳大利亚国立大学尤里·基夫沙尔（Yuri Kivshar）教授为论文通讯作者。

过去，若让激光按照我们需要的方式发光（比如聚焦、变换图案等）需要在激光器外加一些又大又复杂的光学元件，你能想象仅靠百纳米厚的一只小薄片就能替代激光器和镜片吗？该成果实现了激光波前形态的自由调控，开创性地推动了激光技术从“固定模斑”向“自由定制”的跨越，大幅提升了激光在通信、计算、感知、成像等领域的应用潜力。

传统激光器难以精确调控输出波前，通常需借助透镜、波片、相位片等外部光学元件来实现对光束形状的调控。因此，能否直接对激光发射波前及辐射特性实现自由定制是现代激光技术领域的难题。纳米光子学中超表面可通过人工纳米结构在微纳尺度上实现复杂的光场调控，然而，将超表面直接引入激光谐振腔内部时，每个超表面单元将产生不同的相位延迟，从而破坏共振条件以及相应的激光行为。因此，超表面通常被部署在激光腔外部，或者需要引入复杂的腔内相位补偿方案，这些都使激光系统变得庞大且复杂，此外，采用此类方法生成的激光全息图案还不可避免地受到光学散斑噪声的影响。

针对上述问题，团队提出了新型超表面激光系统（metalaser）。该系统的核心结构为具有偏心孔洞的氮化硅纳米柱，其呈正方晶格排列。偏心孔洞的转动将使每个氮化硅纳米柱中的局部电偶极矩及其辐射的偏振方向旋转，从而引入几何相位。由于该几何相位与激光谐振模式的动力学相位解耦（后者近似均匀且在每个纳米柱中都相同），因此激光发射波前则完全由各纳米柱中的孔洞旋转角度决定。

具有任意发射波前的单层超表面激光系统（Metalaser）

根据上述机制，团队设计并制备了具有不同几何相位分布的超表面激光器，并验证了其激光输出可具有不同的发射波前。实验展示了激光光束形状可人为调整为聚焦光斑、焦线、涡旋光束甚至全息图案，此外，该新型激光器还具有极低的散斑噪声。

从原理上讲，该激光器所产生的激光会受其结构缺陷的散射，然而，这些散射光或被散射到增益区外，或由于叠加额外的动态相位而导致偏离共振条件，因此，其强度对于所设计的激光图案可忽略不计，这一重要特性有望解决长期困扰激光全息显示技术中的散斑噪声问题。

该研究将传统“激光+光学”架构压缩为单层纳米光子结构，并在全息领域首次实现消除散斑噪声而不影响图像质量，这一突破有望重新定义相干光源的生成与应用方式，其物理概念和技术方案可在未来进一步扩展至其他纳米光子器件。