集成納米激光器因其在許多應用中的重要作用而被探索了幾十年，從光學信息處理和通信到醫療。盡管納米激光器的偏振、軌道角動量和方向性已被成功操縱，但它們的激光波前和輻射特性都不能隨意定制。通常需要更多的光學元件來進一步修改激光特性，使激光系統體積龐大，并受到不可避免的散斑噪聲的限制。

2025年7月9日，哈爾濱工業大學（深圳）宋清海、肖淑敏、鵬程實驗室余少華、澳大利亞國立大學Yuri Kivshar共同通訊在Nature在線發表題為“Metalasers with arbitrarily shaped wavefront”的研究論文，該研究通過利用介電共振超表面的局部和非局部響應之間的相互作用，提出并實現了一種新型激光器—金屬激光器。

激光模式受平面結構的元原子之間的非局域相互作用的限制，光束波前由局域變化的偶極動量精確整形。金屬激光器發射可以直接具有任何所需的輪廓，包括焦斑、焦線、矢量光束、渦旋光束甚至全息圖。值得注意的是，金屬激光器的散射波不會像激光模式那樣經歷共振放大，而是弱幾個數量級。因此，在金屬激光全息圖中，斑點噪聲變得可以忽略不計，為傳統激光全息圖的斑點噪聲問題提供了一種可行的解決方案。這一發現豐富了人們對激光器的理解，并促進了它們在各種光學和光子應用中的性能。

自20世紀60年代半導體激光器被發明以來，人們對其進行了長達10-9年的深入研究，并提出和開發了各種類型的激光結構，如垂直腔表面發射激光器和邊緣發射激光器。與笨重的同類產品相比，半導體激光器在尺寸、壽命、工作電壓和調制速度方面具有許多固有優勢。它們固有的缺點，如大發散和不穩定的偏振態，可以通過單片集成外部光學元件來解決，包括衍射光學元件、微透鏡和微機電系統。因此，半導體激光器在幾乎所有現代光子應用中都發揮著核心作用，從光通信、光互連和光檢測到生物醫學成像和光學顯示器。

對光子系統小型化和集成化的新興需求刺激了開發具有更多功能的納米激光源的巨大努力。因此，已經探索了光學元件與半導體納米激光器的集成，以實現受控和優化的激光輸出。超表面，即具有預定義相位的亞波長散射體陣列，正被用于實現這些目標。由于其緊湊性和靈活性，超表面可以與激光鏡集成或放置在諧振腔內。它們還可以通過適當的設計直接替換垂直腔面發射激光器或法布里-珀羅激光器的發射表面。主動系統和動量空間操縱的最新發展表明，直接控制納米激光器有進一步的可能性。盡管如此，目前所有的方法在激光波前操縱方面的能力都有限，因此，它們的輸出僅限于幾個簡單的輪廓，如高斯、圓環等。外部平面光學元件對于產生復雜的輪廓仍然是必不可少的，其性能在很大程度上受到不可避免的散斑的限制。到目前為止，還沒有任何策略可以隨意精確地塑造激光波陣面和輻射模式。

金屬激光器的概念（圖源自Nature）

該研究提出并實驗證明了一種新型的納米結構激光系統，即金屬激光器。通過操縱每個像素的幾何相位，已經證明激光發射可以具有任意形狀的波前。因此，復雜的激光全息圖可以直接由單個激光超表面生成。由于金屬激光器基于超表面局部和非局部響應的相互作用的固有優勢，它有可能在不犧牲圖像質量的情況下解決全息顯示器中斑點噪聲的長期挑戰。該研究的主要物理概念和基本實現可以擴展到其他納米光子器件，大大提高它們在各種光學和光子學應用中的性能。

參考信息：

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