過去，若讓激光按照我們需要的方式發(fā)光（比如聚焦、變換圖案等），需要在激光器外加一些又大又復(fù)雜的光學(xué)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(qū)宋清海、肖淑敏教授團(tuán)隊(duì)在激光技術(shù)領(lǐng)域取得重要突破。團(tuán)隊(duì)成功攻克了傳統(tǒng)激光模斑形狀、偏振、角動(dòng)量受限的技術(shù)瓶頸，創(chuàng)新性開發(fā)出可自由調(diào)控發(fā)射波前的新型激光光源。研究成果以《具有任意形狀發(fā)射波前的元激光器》（metalasers with arbitrarily shaped wavefront）為題，發(fā)表在《自然》（Nature）上。該成果實(shí)現(xiàn)了激光波前形態(tài)的自由調(diào)控，開創(chuàng)性地推動(dòng)了激光技術(shù)從“固定模斑”向“自由定制”的跨越，大幅提升了激光在通信、計(jì)算、感知、成像等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

傳統(tǒng)激光器難以精確調(diào)控輸出波前，通常需借助透鏡、波片、相位片等外部光學(xué)元件來實(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)中超表面可通過人工納米結(jié)構(gòu)在微納尺度上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的光場(chǎng)調(diào)控，然而，將超表面直接引入激光諧振腔內(nèi)部時(shí)，每個(gè)超表面單元將產(chǎn)生不同的相位延遲，從而破壞共振條件以及相應(yīng)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(fù)雜的腔內(nèi)相位補(bǔ)償方案，這些都使激光系統(tǒng)變得龐大且復(fù)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(xué)散斑噪聲的影響。

針對(duì)上述問題，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，其呈正方晶格排列。偏心孔洞的轉(zhuǎn)動(dòng)將使每個(gè)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(zhuǎn)，從而引入幾何相位。由于該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），因此激光發(fā)射波前則完全由各納米柱中的孔洞旋轉(zhuǎn)角度決定。

根據(jù)上述機(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)中的散斑噪聲問題。該研究將傳統(tǒng)“激光+光學(xué)”架構(gòu)壓縮為單層納米光子結(jié)構(gòu)，并在全息領(lǐng)域首次實(shí)現(xiàn)消除散斑噪聲而不影響圖像質(zhì)量，這一突破有望重新定義相干光源的生成與應(yīng)用方式，其物理概念和技術(shù)方案可在未來進(jìn)一步擴(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。

該研究獲國(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、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)和新基石科學(xué)基金會(huì)等項(xiàng)目支持。

具有任意發(fā)射波前的單層超表面激光系統(tǒng)（metalaser）