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科研伉俪！哈尔滨工业大学（深圳），最新Nature！

2025-07-14

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集成纳米激光器，因其在光信息处理、通信及医学治疗等诸多领域中的关键作用，已被持续研究数十年。

尽管目前已能成功调控纳米激光器的偏振态、轨道角动量以及方向性，但其激光波前和辐射特性仍难以按需定制。

通常需要引入额外的光学元件对激光进行进一步调制，这不仅使激光系统变得臃肿，还不可避免地引入散斑噪声，限制了其应用性能。

在此，来自澳大利亚国立大学的Yuri Kivshar、鹏程实验室的余少华、以及鹏程实验室&哈尔滨工业大学(深圳)的肖淑敏&宋清海等研究者提出并实现了一种全新的激光器类型——金属激光器（metalaser），其工作原理基于介电共振超表面中局域响应与非局域响应的协同作用。相关论文以题为“Metalasers with arbitrarily shaped wavefront”于2025年07月09日发表在Nature上。

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自20世纪60年代问世以来，半导体激光器经历了数十年的深入研究，发展出了多种结构形式，如垂直腔面发射激光器（VCSEL）和边缘发射激光器等。

相较于体积庞大的传统激光器，半导体激光器具有体积小、寿命长、工作电压低、调制速度快等诸多内在优势。

其固有缺陷，如发散角大和偏振态不稳定等问题，通常可通过单片集成衍射光学元件、微透镜或微机电系统（MEMS）等外部光学元件加以克服。

因此，半导体激光器在现代光子学应用中占据核心地位，广泛应用于光通信、光互连、光探测、生物医学成像以及光学显示等领域。

随着光子系统向微型化、高度集成方向快速发展，对具备更强功能性的纳米激光源的需求日益迫切。

为此，研究者积极探索将光学元件与半导体纳米激光器集成，以实现激光输出的调控与优化。

其中，超表面（metasurface）——由亚波长散射单元构成、相位预设的阵列结构——因其紧凑性与高度灵活性，成为实现该目标的重要手段。

超表面不仅可集成于激光器的反射镜中，还可置于谐振腔内部，甚至能够取代VCSEL或Fabry–Pérot激光器的发射面。

近年来，随着主动超表面与动量空间调控技术的发展，纳米激光的直接调控也展现出更广阔的可能性。

然而，现有方法在激光波前调控能力方面仍十分有限，其输出光束多局限于高斯光束、甜甜圈（涡旋）光束等少数简单模式。

要生成更复杂的光场轮廓，仍需依赖外部平面光学器件，而这类系统在性能上受限于不可避免的散斑噪声问题。

迄今尚无策略能够实现激光波前与辐射模式的完全自由定制。

在本文中，研究者提出并实现了一种全新的激光器类型——金属激光器（metalaser），其工作原理基于介电共振超表面中局域响应与非局域响应的协同作用。

在这种结构中，激光模式由超表面中各元原子间的非局域相互作用所限制，而激光束的波前则通过局域偶极矩的空间调控实现精准塑形。

由此，金属激光器的发射光束可直接呈现任意所需的空间分布，例如焦点、焦线、矢量光束、涡旋光束，甚至是全息图样。

值得注意的是，金属激光器中散射波不会像激光模式那样经历共振放大，其强度低出几个数量级，因此在所生成的全息图中几乎没有可见散斑噪声，为传统激光全息图中的散斑问题提供了有效解决方案。

本工作不仅拓展了研究者对激光本质的理解，也显著提升了激光在各类光学与光子学应用中的可定制性与成像质量，为未来高性能激光系统的发展提供了全新路径。

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图1 金属激光器的概念。

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图2 金属激光器的实验演示。

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图3 具有可控发射剖面的金属激光器。

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图4 高质量无斑点激光全息图。

综上所述，研究者提出并实验验证了一种全新的纳米结构激光系统——金属激光器（metalaser）。

通过对每个像素处的几何相位进行精确调控，研究者实现了激光发射波前的任意整形，使得一个单层激光超表面即可直接生成复杂激光全息图像。

该金属激光器依托超表面局域与非局域响应的协同机制，在维持图像质量的同时，有望彻底解决传统全息显示中长期存在的散斑噪声问题。

研究者提出的核心物理理念及其实验实现方式，不仅适用于金属激光器，也可推广应用于其他纳米光子器件中，从而在光学与光子学的众多应用场景中显著提升系统性能，拓展其功能边界。

参考文献

Zeng, Y., Sha, X., Zhang, C. et al. Metalasers with arbitrarily shaped wavefront. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09275-6

原文链接：

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

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