深圳新聞網(wǎng)2025年7月15日訊（記者 王茜 實(shí)習(xí)生 樊雅琪）近日，哈工大（深圳）校區(qū)宋清海、肖淑敏教授團(tuán)隊(duì)在激光技術(shù)領(lǐng)域傳來(lái)捷報(bào)，其研究成果《具有任意形狀發(fā)射波前的元激光器》（Metalasers with arbitrarily shaped wavefront）成功發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊《自然》（Nature）。
這項(xiàng)突破性成果攻克了傳統(tǒng)激光模斑形狀、偏振、角動(dòng)量受限的技術(shù)瓶頸，創(chuàng)新性地開發(fā)出可自由調(diào)控發(fā)射波前的新型激光光源，實(shí)現(xiàn)激光技術(shù)從“固定模斑”邁向“自由定制”的新時(shí)代，為激光在通信、計(jì)算、感知、成像等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了廣闊前景。
傳統(tǒng)激光器難以精確調(diào)控輸出波前，通常需要依賴透鏡、波片、相位片等外部光學(xué)元件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光束形狀的調(diào)控。因此，能否直接對(duì)激光發(fā)射波前及輻射特性實(shí)現(xiàn)自由定制是現(xiàn)代激光技術(shù)領(lǐng)域的難題。納米光子學(xué)中超表面雖能在微納尺度實(shí)現(xiàn)復(fù)雜光場(chǎng)調(diào)控，但將其直接引入激光諧振腔內(nèi)部時(shí)，會(huì)因每個(gè)超表面單元產(chǎn)生不同相位延遲，破壞共振條件以及相應(yīng)激光行為，因此，超表面通常被部署在激光腔外部，或需采用復(fù)雜的腔內(nèi)相位補(bǔ)償方案。這些不僅會(huì)使激光系統(tǒng)變得龐大且復(fù)雜，且生成的激光全息圖案還會(huì)受到光學(xué)散斑噪聲影響。
面對(duì)這些挑戰(zhàn)，哈工大（深圳）校區(qū)的團(tuán)隊(duì)提出了新型超表面激光系統(tǒng)（metalaser）。該系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)為具有偏心孔洞的氮化硅納米柱，呈正方晶格排列。偏心孔洞的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)讓每個(gè)氮化硅納米柱中的局部電偶極矩及輻射的偏振方向旋轉(zhuǎn)，從而引入幾何相位。關(guān)鍵的是，這個(gè)幾何相位與激光諧振模式的動(dòng)力學(xué)相位解耦（后者近似均勻且在每個(gè)納米柱中都相同），激光發(fā)射波前完全由各納米柱中孔洞的旋轉(zhuǎn)角度決定。
基于這一機(jī)制，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制備了具有不同幾何相位分布的超表面激光器，并驗(yàn)證了其激光輸出可具有不同的發(fā)射波前。實(shí)驗(yàn)展示了激光光束形狀可人為調(diào)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(chǎn)生的激光會(huì)受其結(jié)構(gòu)缺陷的散射，然而，這些散射光或被散射到增益區(qū)外，或由于疊加額外的動(dòng)態(tài)相位而導(dǎo)致偏離共振條件，因此，其強(qiáng)度對(duì)于所設(shè)計(jì)的激光圖案可忽略不計(jì)，這一重要特性有望解決長(zhǎng)期困擾激光全息顯示技術(shù)中的散斑噪聲問(wèn)題。
此次研究將傳統(tǒng)“激光 + 光學(xué)”架構(gòu)壓縮為單層納米光子結(jié)構(gòu)，在全息領(lǐng)域首次實(shí)現(xiàn)消除散斑噪聲而不影響圖像質(zhì)量，其物理概念和技術(shù)方案未來(lái)有望擴(kuò)展至其他納米光子器件。
哈工大（深圳）校區(qū)為論文第一完成單位和通訊單位。深圳校區(qū)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(qū)宋清海、肖淑敏教授、鵬城實(shí)驗(yàn)室余少華院士、澳大利亞國(guó)立大學(xué)尤里?基夫沙爾（Yuri Kivshar）教授為論文通訊作者。
該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、深圳市基礎(chǔ)研究項(xiàng)目、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)和新基石科學(xué)基金會(huì)等項(xiàng)目的支持。
（本文圖片由學(xué)校提供）