新突破让激光光束形状实现“自由定制”

近日，哈尔滨工业大学（深圳）宋清海、肖淑敏教授科研团队在激光技术领域取得重要突破，成功攻克了传统激光模斑形状、偏振、角动量受限的技术瓶颈，开发出可自由调控发射波前的新型激光光源。该成果开创性地推动激光技术从“固定模斑”向“自由定制”的跨越，将大幅提升激光在通信、计算、感知、成像等领域的应用潜力。相关论文于近日发表在《自然》杂志上。

传统激光器难以精确调控输出波前，通常需借助透镜、波片、相位片等外部光学元件来实现对光束形状的调控，这些都使激光系统变得庞大且复杂。此外，采用此类方法生成的激光全息图案还会受到光学散斑噪声的影响。

对此，科研团队提出新型超表面激光系统，其核心结构为具有偏心孔洞的氮化硅纳米柱，呈正方晶格排列。偏心孔洞的转动使每个氮化硅纳米柱中的局部电偶极矩及其辐射的偏振方向旋转，从而引入几何相位。由于该几何相位与激光谐振模式的动力学相位解耦，激光发射波前便可完全由各纳米柱中的孔洞旋转角度决定。

根据上述机制，科研团队设计和制备出具有不同几何相位分布的超表面激光器。实验中，激光光束形状可人为调整为聚焦光斑、焦线、涡旋光束甚至全息图案。此外，该新型激光器还具有极低的散斑噪声。

这项研究将传统“激光+光学”架构压缩为单层纳米光子结构，并在全息领域首次实现消除散斑噪声而不影响图像质量。相关技术有望重新定义相干光源的生成与应用方式，其物理概念和技术方案可进一步扩展至其他纳米光子器件。