景行
一、【科学背景】
自20世纪60年代半导体激光器发明以来，其因在尺寸、寿命、工作电压和调制速度等方面的固有优势，已成为现代光子学应用的核心，广泛用于光通信、光互连、生物医学成像等领域。然而，传统激光器的输出波前和辐射特性难以自由定制，需依赖透镜、衍射光学元件等外部光学元件进行调控，这导致系统体积庞大且受散斑噪声困扰。
随着光子系统小型化与集成化需求的增长，纳米激光器的多功能化成为研究热点。超表面作为由亚波长散射体组成的阵列，因紧凑性和灵活性被尝试与激光器结合，但其引入常破坏共振条件，且现有方法仅能实现高斯、环形等简单输出轮廓，复杂波前调控仍依赖外部元件，散斑噪声问题也未得到有效解决。在此背景下，开发能直接实现任意波前调控的新型激光系统成为突破传统技术瓶颈的关键。
二、【创新成果】
近日，哈工大宋清海、肖淑敏教授，鹏城实验室余少华院士，澳大利亚国立大学尤里·基夫沙尔（Yuri Kivshar）教授等合作，提出并实验验证了一种新型激光系统——metalaser（元激光器），其核心是利用介电共振超表面的局域与非局域响应相互作用，实现了激光波前的任意定制。通过在氮化硅纳米柱阵列中设计偏心孔洞，调控孔洞旋转角度可诱导局域偶极矩变化，引入与共振条件解耦的几何相位，使激光发射波前完全由各纳米柱的相位分布决定，无需外部光学元件即可直接输出焦点、焦线、涡旋光束、矢量光束乃至复杂全息图案等任意轮廓。 实验表明，该元激光器具有高Q因子（约3700），阈值泵浦能量低，且散射波因偏离共振条件未被放大，强度比激光模式低数个量级，使全息图像散斑噪声可忽略不计，解决了传统激光全息的散斑难题。这种将激光源与波前调控功能集成于单层纳米结构的设计，推动激光技术从“固定模斑”向“自由定制”跨越，为光通信、成像、显示等领域提供了全新解决方案。
图1元激光器的概念图。（a）元激光器的示意图。每个单元胞的结构如插图所示。此处单元胞的晶格尺寸为a=360 nm。氮化硅（Si3N4）纳米盘的半径和柱高分别为R=135 nm和h=150 nm。偏心孔洞的位置距中心L=60 nm，半径r=20 nm，旋转角度θ可变。通过控制每个孔洞的旋转角度，可生成高斯光束、环形光束、聚焦光斑、焦线以及全息图等不同的激光轮廓。（b）共振波长处远场辐射的偏振角θr随旋转角度θ的变化关系。底部插图显示单个单元胞中准连续域束缚态（quasi-BIC）的电场（左）和功率（右）分布。（c）超表面中准连续域束缚态的数值计算品质因子（Q因子）和共振波长。（d）4×8纳米盘阵列中准连续域束缚态的振幅（上）和相位（下）分布。通过改变每个纳米盘孔洞的旋转角度以提供所需几何相位，验证了传播相位的影响可忽略不计。（e）超表面高c模式的设计远场图案。© 2025 Springer Nature
元激光器的核心结构为正方晶格排列的氮化硅（Si3N4）纳米柱阵列，晶格常数a=360 nm。每个纳米柱包含偏心孔洞，其半径r=20 nm，孔洞中心与纳米柱中心距离L=60 nm，纳米柱高度h=150 nm。通过调控孔洞旋转角度θ（0°~180°），可改变局域偶极矩的方向，从而生成高斯光束、涡旋光束等多种激光轮廓。例如，当θ=0°时，偶极矩沿x轴方向；θ=90°时，偶极矩沿y轴方向，对应不同的偏振态和辐射方向。
图2元激光器的实验验证。（a）涂覆聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）薄膜前氮化硅纳米结构的显微镜图像。（b）超表面的顶视扫描电子显微镜（SEM）图像。（c）泵浦能量密度为310 μJ·cm-2时记录的发射光谱（插图为低泵浦功率下的宽荧光峰）。（d）发射光谱的积分输出强度（圆点）和半高全宽（FWHM，方块）随泵浦能量密度的变化关系。（e、f）实验记录的右旋圆偏振（RCP）和左旋圆偏振（LCP）远场发射轮廓。© 2025 Springer Nature
作者采用电子束光刻和电感耦合等离子体刻蚀技术，在K9玻璃基底上制备氮化硅纳米柱阵列。显微镜图像显示阵列周期性良好（晶格常数误差<5 nm），SEM图像进一步确认纳米柱尺寸与设计一致（半径135±3 nm，高度150±5 nm）。不同泵浦能量下的发射光谱显示：低泵浦时（<200 μJ/cm²）为峰值567 nm的宽带荧光峰（FWHM≈30 nm）；当泵浦能量超过阈值（约275 μJ/cm²）时，出现峰值569.9 nm的窄激光峰（FWHM≈0.3 nm），对应受激辐射主导。积分强度随泵浦能量的变化呈现S形曲线，阈值处斜率突变（从0.1 a.u./(μJ/cm²)跃升至1.2 a.u./(μJ/cm²)）。FWHM在阈值附近从30 nm骤降至0.3 nm，证实激光作用的发生。右旋圆偏振（RCP）分量的远场轮廓与预设的ψ图案高度吻合（边缘误差<2 μm），而左旋圆偏振（LCP）分量呈现随机分布的散斑，表明几何相位调控仅对RCP分量有效，调控效率>90%。
图3具有可控发射轮廓的元激光器。（a、b）超透镜激光器和柱面超透镜激光器的发射光谱。插图分别为焦点处x-y平面的右旋圆偏振光束轮廓及沿虚线的强度分布。（c）超表面中手性激光作用的发射光谱。（d）超表面中涡旋激光器的发射光谱。© 2025 Springer Nature
图4高质量无散斑激光全息图。（a）元激光器全息图的亮度增强图像。（b）全息图中蓝色矩形区域的信噪比（SNR）随泵浦能量密度的变化关系。（c）两个不同元激光器全息图沿线α（示意图见a中Ⅰ部分）的强度分布。（d）元激光器全息图的边缘锐度（沿线β）随泵浦能量密度的变化关系。© 2025 Springer Nature
低泵浦时（0.5Pₜₕ）全息图像存在明显散斑噪声（对比度<3:1）；当泵浦能量增至1.5Pₜₕ时，噪声显著降低，目标图案（如字母“M”）的边缘锐度提升3倍（从400 mm-1到1400 mm-1），背景均匀性>95%。信噪比（SNR）随泵浦能量从8提升至16，优于传统激光全息（SNR≈10）。这得益于元激光器的散射光强度比激光模式低3个量级（<0.1%），有效抑制了散斑噪声。对比两个样品的强度分布，不均匀区域（强度波动±15%）与设计的相位分布梯度一致，而非随机散斑。例如，全息图边缘的强度衰减与预设的高斯振幅调制函数吻合（拟合优度R²>0.98）。采用分辨率测试卡（线对密度100 lp/mm）评估，边缘锐度随泵浦能量增加至1400 mm⁻¹，对应可分辨的最小线宽为0.7 μm，接近衍射极限（0.5 μm），表明元激光器在抑制散斑的同时保持了高空间分辨率。
该研究推动激光技术从“固定模斑”向“自由定制”跨越，以“Metalasers with arbitrarily shaped wavefront”为题发表在国际顶级期刊Nature上，引起了相关领域研究人员热议。
三、【科学启迪】
综上所述，该研究提出了一种新型元激光器（metalaser），其核心是利用介电共振超表面的局域与非局域响应相互作用，实现了激光波前的任意定制。通过在氮化硅纳米柱阵列中设计偏心孔洞，调控孔洞旋转角度可诱导局域偶极矩变化，引入与共振条件解耦的几何相位，使激光发射波前完全由各纳米柱的相位分布决定，无需外部光学元件即可直接输出多种复杂轮廓。实验验证了这种元激光器能够生成聚焦光斑、焦线、涡旋光束乃至全息图案等，且因散射波偏离共振条件未被放大，全息图像的散斑噪声可忽略不计，解决了传统激光全息的散斑难题。
从应用前景来看，该研究的物理概念和技术方案可扩展至其他纳米光子器件，为光通信、成像、显示等领域提供新的解决思路，推动激光技术从“固定模斑”向“自由定制”跨越。
原文详情：Zeng, Y., Sha, X., Zhang, C. et al. Metalasers with arbitrarily shaped wavefront. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09275-6
本文由景行撰稿
