中国科研人员发明“金属激光器”，可能彻底改变激光显示领域

抖音热门 2025年08月12日 21:36 1 admin

中国哈尔滨工业大学（深圳）的研究团队在激光技术领域取得突破性进展，成功开发出一种名为"超材料激光器"的新型纳米结构激光系统。这项发表在《自然》杂志上的研究首次实现了对激光波前的高度可调控制，解决了传统半导体激光器无法克服的技术瓶颈，并在激光全息显示领域展现出革命性应用前景。

该团队由宋庆海教授领导，他们设计的超材料激光器采用了独特的硅氮化物纳米圆盘阵列结构，每个圆盘中心都带有小孔。这种精巧的设计不仅能够产生多种激光发射模式，更重要的是首次在激光器内部实现了对光波前的任意定制，这一能力在传统激光技术中一直被视为不可能完成的任务。

定制化轮廓：新型超材料激光器的工作原理。通过旋转每个氮化硅纳米圆盘中的孔洞，将设计好的几何相位分布引入超表面。随后，激光发射可以被定制为聚焦点、聚焦线、环形或甚至全息图像。（图片提供：宋庆海）

技术突破解决六十年难题

自1960年代第一台半导体激光器问世以来，科学家们一直致力于在保持激光器小型化、长寿命和低工作电压优势的同时，实现对激光输出特性的精确控制。尽管半导体激光器已广泛应用于光通信、生物医学成像和光学显示等领域，但其波前控制能力的局限性始终制约着技术进步。

传统方法通常需要在激光器外部集成额外的光学元件来实现波前整形，这不仅增加了系统复杂性，还受到激光谐振条件的严重限制。"控制激光发射一直是激光研究者的梦想，"宋庆海教授表示，"研究人员传统上通过在激光振荡器等结构中引入超表面来实现这一目标。虽然这种方法非常直接，但受到这类激光系统谐振条件的严重限制。"

新开发的超材料激光器巧妙地利用了"连续介质中的束缚态"物理现象。由于激光能量集中在每个纳米圆盘的中心，束缚态的波长不会受到结构中微小孔洞等扰动的显著影响。同时，这些模式的面内电场分布在每个纳米圆盘的周边，极大地增强了孔洞中心的光场强度，在那里产生有效的偶极矩，从而在每个像素处产生几何相位变化。

消除斑点噪声的创新解决方案

这项技术的另一个重大突破是解决了激光全息显示中长期存在的斑点噪声问题。在传统激光系统中，相干光产生的斑点噪声严重影响图像质量，成为激光显示技术发展的主要障碍。

宋庆海教授解释道："与传统激光模式不同，新超材料激光器散射的波太弱，无法进行谐振放大。这意味着产生的斑点噪声极其微小，解决了在不降低图像质量的情况下减少全息显示中斑点噪声的长期挑战。"

这一特性对激光显示技术具有革命性意义。通过旋转纳米圆盘中的孔洞，研究人员能够向超表面引入特定的几何相位分布，从而将激光发射定制为焦点、焦线、环形以及全息图像等多种形态。

广阔应用前景与产业影响

新技术的应用潜力远远超出了显示领域。研究团队指出，这种超材料激光器能够将激光发射从固定的厄米-高斯模式和拉盖尔-高斯模式改变为任意定制的光束。这意味着激光器可以制造成与光纤或波导的数值孔径匹配，从而显著提升光通信和光信息处理的性能。

在生物医学领域，精确的波前控制能力将为光学成像和激光治疗提供更好的工具。在工业应用中，可定制的激光束形状将提高激光加工和材料处理的精度和效率。

宋庆海教授表示，该团队已经将这一物理概念的应用范围扩展到其他纳米光子器件，这将大幅改善各种光学和光子学应用的性能。"我们的下一个目标是开发可编程的超材料激光器，"他透露了团队的未来研究方向。

这项突破性研究不仅展示了中国在前沿光子学技术方面的创新实力，也为全球激光技术的发展开辟了新的道路。随着技术的进一步成熟和产业化，这种新型激光器有望在显示技术、光通信、生物医学和精密制造等多个领域产生深远影响，推动相关产业的技术革新和发展。

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