集成納米激光器因其在許多應(yīng)用中的重要作用而被探索了幾十年，從光學(xué)信息處理和通信到醫(yī)療。盡管納米激光器的偏振、軌道角動(dòng)量和方向性已被成功操縱，但它們的激光波前和輻射特性都不能隨意定制。通常需要更多的光學(xué)元件來進(jìn)一步修改激光特性，使激光系統(tǒng)體積龐大，并受到不可避免的散斑噪聲的限制。

2025年7月9日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）宋清海、肖淑敏、鵬程實(shí)驗(yàn)室余少華、澳大利亞國立大學(xué)Yuri Kivshar共同通訊在Nature在線發(fā)表題為“Metalasers with arbitrarily shaped wavefront”的研究論文，該研究通過利用介電共振超表面的局部和非局部響應(yīng)之間的相互作用，提出并實(shí)現(xiàn)了一種新型激光器—金屬激光器。

激光模式受平面結(jié)構(gòu)的元原子之間的非局域相互作用的限制，光束波前由局域變化的偶極動(dòng)量精確整形。金屬激光器發(fā)射可以直接具有任何所需的輪廓，包括焦斑、焦線、矢量光束、渦旋光束甚至全息圖。值得注意的是，金屬激光器的散射波不會(huì)像激光模式那樣經(jīng)歷共振放大，而是弱幾個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，在金屬激光全息圖中，斑點(diǎn)噪聲變得可以忽略不計(jì)，為傳統(tǒng)激光全息圖的斑點(diǎn)噪聲問題提供了一種可行的解決方案。這一發(fā)現(xiàn)豐富了人們對(duì)激光器的理解，并促進(jìn)了它們?cè)诟鞣N光學(xué)和光子應(yīng)用中的性能。

自20世紀(jì)60年代半導(dǎo)體激光器被發(fā)明以來，人們對(duì)其進(jìn)行了長達(dá)10-9年的深入研究，并提出和開發(fā)了各種類型的激光結(jié)構(gòu)，如垂直腔表面發(fā)射激光器和邊緣發(fā)射激光器。與笨重的同類產(chǎn)品相比，半導(dǎo)體激光器在尺寸、壽命、工作電壓和調(diào)制速度方面具有許多固有優(yōu)勢(shì)。它們固有的缺點(diǎn)，如大發(fā)散和不穩(wěn)定的偏振態(tài)，可以通過單片集成外部光學(xué)元件來解決，包括衍射光學(xué)元件、微透鏡和微機(jī)電系統(tǒng)。因此，半導(dǎo)體激光器在幾乎所有現(xiàn)代光子應(yīng)用中都發(fā)揮著核心作用，從光通信、光互連和光檢測(cè)到生物醫(yī)學(xué)成像和光學(xué)顯示器。

對(duì)光子系統(tǒng)小型化和集成化的新興需求刺激了開發(fā)具有更多功能的納米激光源的巨大努力。因此，已經(jīng)探索了光學(xué)元件與半導(dǎo)體納米激光器的集成，以實(shí)現(xiàn)受控和優(yōu)化的激光輸出。超表面，即具有預(yù)定義相位的亞波長散射體陣列，正被用于實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)。由于其緊湊性和靈活性，超表面可以與激光鏡集成或放置在諧振腔內(nèi)。它們還可以通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)直接替換垂直腔面發(fā)射激光器或法布里-珀羅激光器的發(fā)射表面。主動(dòng)系統(tǒng)和動(dòng)量空間操縱的最新發(fā)展表明，直接控制納米激光器有進(jìn)一步的可能性。盡管如此，目前所有的方法在激光波前操縱方面的能力都有限，因此，它們的輸出僅限于幾個(gè)簡(jiǎn)單的輪廓，如高斯、圓環(huán)等。外部平面光學(xué)元件對(duì)于產(chǎn)生復(fù)雜的輪廓仍然是必不可少的，其性能在很大程度上受到不可避免的散斑的限制。到目前為止，還沒有任何策略可以隨意精確地塑造激光波陣面和輻射模式。

金屬激光器的概念（圖源自Nature）

該研究提出并實(shí)驗(yàn)證明了一種新型的納米結(jié)構(gòu)激光系統(tǒng)，即金屬激光器。通過操縱每個(gè)像素的幾何相位，已經(jīng)證明激光發(fā)射可以具有任意形狀的波前。因此，復(fù)雜的激光全息圖可以直接由單個(gè)激光超表面生成。由于金屬激光器基于超表面局部和非局部響應(yīng)的相互作用的固有優(yōu)勢(shì)，它有可能在不犧牲圖像質(zhì)量的情況下解決全息顯示器中斑點(diǎn)噪聲的長期挑戰(zhàn)。該研究的主要物理概念和基本實(shí)現(xiàn)可以擴(kuò)展到其他納米光子器件，大大提高它們?cè)诟鞣N光學(xué)和光子學(xué)應(yīng)用中的性能。

參考信息：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09275-6