哈佛大學的研究人員引入了一個簡單的超材料，可以有效的調制激光光束的不同性質，包括波長，而不需要額外的光學組件。這一超材料可以將激光束分解成幾個不同的光束并能獨立的實現控制他們的形狀和強度，且可以實現精確和能量有效的途徑來實現。

精確的控制激光束的不同性質對生物醫學研究中的虛擬現實頭戴設備到微觀影像來說都是非常重要的設備。許多當前的激光系統依靠獨立的、旋轉的部件來控制激光束的波長、形狀和能量大小，使得控制裝置的體積非常龐大和難以進行控制和操作。

圖1 超晶細胞超材料的概念圖

來自哈佛大學的研究人員所取得的新的研究進展為包括量子傳感和AR/VR 頭戴裝置的大范圍的應用實現輕便和有效的應用打開了一扇大門。

圖2 入射光可以被分解成三個不同的獨立的光束，每一光束具有不同的性質，右邊的為一個傳統意義上的激光束，中間為貝賽爾光束（Bessel beam），左邊則為光學渦旋（(Optical Vortices)是一種具有螺旋型波前結構和確定的光子軌道角動量的特殊光場））

我們目前研發的這一辦法為光學源的發射的工程應用和控制多個功能的光束，如聚焦、全息圖、偏振和光束整形在一個單一的超材料表面進行控制鋪平了道路，Federico Capasso說道，他是SEAS的電子工程系的高級研究院和應用物理及Viton Hays的 Robert L. Wallace教授以及該論文的高級作者。

可以調制的激光束主要由兩部分所組成：一個激光半導體和一個反射的超材料。不像以前的超材料，主要依靠單獨的棱柱的網絡結構來控制光，當前的工作是該超材料使用一個稱之為超晶細胞——一組棱柱一起工作來控制光的不同方面。

當光從半導體材料進入到超材料的超晶細胞時，光的一部分被反射回去，在半導體和超材料之間創造出激光空腔。光的其他部分則反射進入到一個二次光束中，該二次光束在第一次的時候是獨立的。

當光擊中超材料的時候，不同衍射的光偏斜到不同的方向， Christina Spgele說道，他是SEAS的研究生和該論文的第一作者，我們可以很好的控制這一效應和設計它，使得它只是我們所選擇的波長和以正確的方向進入半導體，使得激光的運行只在特定的波長下進行。

為了改變激光波長，研究人員將超材料相對半導體改變方向即可。

這一設計變得結構更為簡單和緊湊，是當前現存的最為方便調制波長的激光，這是因為它不需要任何可旋轉的組件，Michele Tamagnone說道，他是SEAS的博士后研究人員和該論文的共同作者。

該研究團隊進一步的證實了激光束的形狀可以完全實現控制來投射出復雜的全息圖以及它具有將光分解成三個不同的激光束的能力，每一激光束具有獨立的性質：一個傳統的激光束，一個光學渦旋和一個貝塞爾激光束，這看起來就像靶心，并且可以應用在諸如光學光鑷的場合。

除了可以控制任何類型的激光之外，這一能力還可以產生多個平行的和在任意角度的直接的光束，每一光束可以具有獨立的性質，這將促使該技術在科學研究儀器和虛擬現實和全息上具有重要的應用，Capasso說道。

圖3 具有全息輸出激光束的超材料外部強激光（metasurface external cavity laser (MECL)）

該論文以題目“Multifunctional wide-angle optics and lasing based on supercell metasurfaces”發表在頂刊

文章來源：Spgele, C., Tamagnone, M., Kazakov, D. et al. Multifunctional wide-angle optics and lasing based on supercell metasurfaces. Nat Commun 12, 3787 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-24071-2