深圳新闻网2025年7月15日讯（记者 王茜 实习生 樊雅琪）近日，哈工大（深圳）校区宋清海、肖淑敏教授团队在激光技术领域传来捷报，其研究成果《具有任意形状发射波前的元激光器》（Metalasers with arbitrarily shaped wavefront）成功发表于国际顶级期刊《自然》（Nature）。

这项突破性成果攻克了传统激光模斑形状、偏振、角动量受限的技术瓶颈，创新性地开发出可自由调控发射波前的新型激光光源，实现激光技术从“固定模斑”迈向“自由定制”的新时代，为激光在通信、计算、感知、成像等众多领域的应用开辟了广阔前景。

传统激光器难以精确调控输出波前，通常需要依赖透镜、波片、相位片等外部光学元件来实现对光束形状的调控。因此，能否直接对激光发射波前及辐射特性实现自由定制是现代激光技术领域的难题。纳米光子学中超表面虽能在微纳尺度实现复杂光场调控，但将其直接引入激光谐振腔内部时，会因每个超表面单元产生不同相位延迟，破坏共振条件以及相应激光行为，因此，超表面通常被部署在激光腔外部，或需采用复杂的腔内相位补偿方案。这些不仅会使激光系统变得庞大且复杂，且生成的激光全息图案还会受到光学散斑噪声影响。

面对这些挑战，哈工大（深圳）校区的团队提出了新型超表面激光系统（metalaser）。该系统的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。偏心孔洞的转动会让每个氮化硅纳米柱中的局部电偶极矩及辐射的偏振方向旋转，从而引入几何相位。关键的是，这个几何相位与激光谐振模式的动力学相位解耦（后者近似均匀且在每个纳米柱中都相同），激光发射波前完全由各纳米柱中孔洞的旋转角度决定。

基于这一机制，团队设计并制备了具有不同几何相位分布的超表面激光器，并验证了其激光输出可具有不同的发射波前。实验展示了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。从原理上讲，该激光器所产生的激光会受其结构缺陷的散射，然而，这些散射光或被散射到增益区外，或由于叠加额外的动态相位而导致偏离共振条件，因此，其强度对于所设计的激光图案可忽略不计，这一重要特性有望解决长期困扰激光全息显示技术中的散斑噪声问题。

此次研究将传统“激光 + 光学”架构压缩为单层纳米光子结构，在全息领域首次实现消除散斑噪声而不影响图像质量，其物理概念和技术方案未来有望扩展至其他纳米光子器件。

哈工大（深圳）校区为论文第一完成单位和通讯单位。深圳校区博士后曾益轩和博士研究生沙新博、张弛为论文第一作者。深圳校区宋清海、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）教授为论文通讯作者。

该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、深圳市基础研究项目、中央高校基本科研业务费和新基石科学基金会等项目的支持。

（本文图片由学校提供）