近日，哈尔滨工业大学（深圳）传来好消息，该校宋清海、肖淑敏教授领导的科研团队在激光技术领域取得重大突破。他们成功研发出一种新型激光光源，能够实现对激光光束形状的“自由定制”，打破了传统激光器在模斑形状、偏振状态和角动量等方面的限制。这一成果不仅为激光技术的发展注入了新的活力，也为未来在通信、计算、感知、成像等多个领域的应用提供了更广阔的空间。相关研究成果已发表于国际顶级学术期刊《自然》。

传统激光器的局限与挑战

自1960年第一台激光器问世以来，激光技术因其高方向性、高相干性和高单色性而被广泛应用于工业加工、医疗、通信、科学研究等领域。然而，传统激光器在输出波前调控方面存在明显瓶颈。大多数激光系统依赖外部光学元件如透镜、波片或相位片来调节光束形状，这种方式不仅使系统结构复杂化，还容易引入光学散斑噪声，影响成像质量与信息传输的准确性。

此外，传统方法难以实现对激光模式的精确控制，尤其在需要复杂光场分布的应用中，如全息成像、光学操控和高密度信息编码等，其局限性更加突出。

创新设计：基于超表面的激光系统

面对上述挑战，哈工大研究团队提出了一种全新的解决方案——利用超表面（metasurface）结构实现对激光发射波前的自主调控。该系统的中心结构是由氮化硅纳米柱构成，每个纳米柱上设有偏心孔洞，并以正方晶格方式排列。

这种独特的设计使得每个纳米柱内部的电偶极矩及其辐射偏振方向可随孔洞旋转角度的变化而调整，从而引入几何相位。由于该几何相位与激光谐振腔内的动力学相位相互解耦，因此可以独立地控制整个激光发射波前的形态。

通过精确调控每个纳米柱的旋转角度，研究人员成功实现了对激光光束形状的多样化定制，包括聚焦光斑、焦线、涡旋光束乃至复杂的全息图案。更为重要的是，该系统几乎不产生光学散斑噪声，显著提升了图像质量和信息保真度。

技术优势与潜在应用

这项技术的最大亮点在于将传统的“激光器+外部光学元件”系统集成到一个单层纳米光子结构中，极大地简化了系统复杂度并提高了稳定性。同时，这也是首次在全息成像领域实现低散斑噪声而不牺牲图像分辨率的技术方案。

从物理原理上看，该技术不仅适用于激光器的设计，还可拓展至其他类型的纳米光子器件，如量子光源、非线性光学器件和光传感系统等。未来，随着该技术的进一步成熟，有望在以下领域发挥重要作用：

高速光通信：通过调控光束角动量和空间模式，提升数据传输容量；

高精度成像：用于医学诊断、显微成像和三维重构；

光学操控：如光镊技术，实现对微纳粒子的精准操控；

信息安全：利用复杂光场进行加密和防伪。

展望未来

这项研究成果标志着激光技术正从“固定模斑”迈向“自由定制”的新时代。它不仅在基础物理层面揭示了新的光场调控机制，也预示着未来相干光源设计范式的根本性转变。随着纳米制造工艺的进步和材料科学的发展，这类新型激光器有望在未来几年内实现工程化应用，推动多个高科技产业的革新升级。

可以说，这不仅是光学领域的一次革命性突破，更是我国在前沿科技领域自主创新实力的重要体现。