哈工大激光技術(shù)領(lǐng)域重要突破！激光光束形狀實(shí)現(xiàn)“自由定制”

Carbontech2025第九屆國(guó)際碳材料大會(huì)暨產(chǎn)業(yè)展覽會(huì)（12月9-11日 上海），以“材料創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)產(chǎn)業(yè)變革”為主線，構(gòu)建覆蓋全產(chǎn)業(yè)鏈的三大主題展館，其中N1半導(dǎo)體碳材料館聚焦金剛石及超硬材料的最新成果與應(yīng)用。

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近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）校區(qū)宋清海、肖淑敏教授科研團(tuán)隊(duì)在激光技術(shù)領(lǐng)域取得重要突破，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，開(kāi)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(kāi)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光束形狀的調(diào)控，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會(huì)受到光學(xué)散斑噪聲的影響。

對(duì)此，科研團(tuán)隊(duì)提出新型超表面激光系統(tǒng)，其核心結(jié)構(gòu)為具有偏心孔洞的氮化硅納米柱，呈正方晶格排列。偏心孔洞的轉(zhuǎn)動(dòng)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，激光發(fā)射波前便可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，科研團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)和制備出具有不同幾何相位分布的超表面激光器。實(shí)驗(yàn)中，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。

這項(xiàng)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。相關(guān)技術(shù)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)方案可進(jìn)一步擴(kuò)展至其他納米光子器件。