深圳新聞網(wǎng)2025年7月15日訊（記者 王茜 實習(xí)生 樊雅琪）近日，哈工大（深圳）校區(qū)宋清海、肖淑敏教授團隊在激光技術(shù)領(lǐng)域傳來捷報，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)表于國際頂級期刊《自然》（Nature）。
這項突破性成果攻克了傳統(tǒng)激光模斑形狀、偏振、角動量受限的技術(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，實現(xiàn)激光技術(shù)從“固定模斑”邁向“自由定制”的新時代，為激光在通信、計算、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)元件來實現(xiàn)對光束形狀的調(diào)控。因此，能否直接對激光發(fā)射波前及輻射特性實現(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現(xiàn)復(fù)雜光場調(diào)控，但將其直接引入激光諧振腔內(nèi)部時，會因每個超表面單元產(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)相位補償方案。這些不僅會使激光系統(tǒng)變得龐大且復(fù)雜，且生成的激光全息圖案還會受到光學(xué)散斑噪聲影響。
面對這些挑戰(zhàn)，哈工大（深圳）校區(qū)的團隊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)動會讓每個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，這個幾何相位與激光諧振模式的動力學(xué)相位解耦（后者近似均勻且在每個納米柱中都相同），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。
基于這一機制，團隊設(shè)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(fā)射波前。實驗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態(tài)相位而導(dǎo)致偏離共振條件，因此，其強度對于所設(shè)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(shù)中的散斑噪聲問題。
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)方案未來有望擴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、鵬城實驗室余少華院士、澳大利亞國立大學(xué)尤里?基夫沙爾（Yuri Kivshar）教授為論文通訊作者。
該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、深圳市基礎(chǔ)研究項目、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費和新基石科學(xué)基金會等項目的支持。
（本文圖片由學(xué)校提供）