過去，若讓激光按照我們需要的方式發光（比如聚焦、變換圖案等），需要在激光器外加一些又大又復雜的光學元件。你能想象僅靠百納米厚的一只小薄片，就能替代激光器和鏡片嗎？近日，我校深圳校區宋清海、肖淑敏教授團隊在激光技術領域取得重要突破。團隊成功攻克了傳統激光模斑形狀、偏振、角動量受限的技術瓶頸，創新性開發出可自由調控發射波前的新型激光光源。研究成果以《具有任意形狀發射波前的元激光器》（metalasers with arbitrarily shaped wavefront）為題，發表在《自然》（Nature）上。該成果實現了激光波前形態的自由調控，開創性地推動了激光技術從“固定模斑”向“自由定制”的跨越，大幅提升了激光在通信、計算、感知、成像等領域的應用潛力。
傳統激光器難以精確調控輸出波前，通常需借助透鏡、波片、相位片等外部光學元件來實現對光束形狀的調控。因此，能否直接對激光發射波前及輻射特性實現自由定制是現代激光技術領域的難題。納米光子學中超表面可通過人工納米結構在微納尺度上實現復雜的光場調控，然而，將超表面直接引入激光諧振腔內部時，每個超表面單元將產生不同的相位延遲，從而破壞共振條件以及相應的激光行為。因此，超表面通常被部署在激光腔外部，或者需要引入復雜的腔內相位補償方案，這些都使激光系統變得龐大且復雜，此外，采用此類方法生成的激光全息圖案還不可避免地受到光學散斑噪聲的影響。
針對上述問題，團隊提出了新型超表面激光系統（metalaser）。該系統的核心結構為具有偏心孔洞的氮化硅納米柱，其呈正方晶格排列。偏心孔洞的轉動將使每個氮化硅納米柱中的局部電偶極矩及其輻射的偏振方向旋轉，從而引入幾何相位。由于該幾何相位與激光諧振模式的動力學相位解耦（后者近似均勻且在每個納米柱中都相同），因此激光發射波前則完全由各納米柱中的孔洞旋轉角度決定。
根據上述機制，團隊設計并制備了具有不同幾何相位分布的超表面激光器，并驗證了其激光輸出可具有不同的發射波前。實驗展示了激光光束形狀可人為調整為聚焦光斑、焦線、渦旋光束甚至全息圖案，此外，該新型激光器還具有極低的散斑噪聲。從原理上講，該激光器所產生的激光會受其結構缺陷的散射，然而，這些散射光或被散射到增益區外，或由于疊加額外的動態相位而導致偏離共振條件，因此，其強度對于所設計的激光圖案可忽略不計，這一重要特性有望解決長期困擾激光全息顯示技術中的散斑噪聲問題。該研究將傳統“激光+光學”架構壓縮為單層納米光子結構，并在全息領域首次實現消除散斑噪聲而不影響圖像質量，這一突破有望重新定義相干光源的生成與應用方式，其物理概念和技術方案可在未來進一步擴展至其他納米光子器件。
哈工大深圳校區為論文第一完成單位和通訊單位。深圳校區博士后曾益軒和博士研究生沙新博、張弛為論文第一作者。深圳校區宋清海、肖淑敏教授，鵬城實驗室余少華院士，澳大利亞國立大學尤里·基夫沙爾（Yuri Kivshar）教授為論文通訊作者。
該研究獲國家重點研發計劃、國家自然科學基金、深圳市基礎研究項目、中央高校基本科研業務費和新基石科學基金會等項目支持。
具有任意發射波前的單層超表面激光系統（metalaser）
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