哈佛大学的研究人员引入了一个简单的超材料，可以有效的调制激光光束的不同性质，包括波长，而不需要额外的光学组件。这一超材料可以将激光束分解成几个不同的光束并能独立的实现控制他们的形状和强度，且可以实现精确和能量有效的途径来实现。

精确的控制激光束的不同性质对生物医学研究中的虚拟现实头戴设备到微观影像来说都是非常重要的设备。许多当前的激光系统依靠独立的、旋转的部件来控制激光束的波长、形状和能量大小，使得控制装置的体积非常庞大和难以进行控制和操作。

图1 超晶细胞超材料的概念图

来自哈佛大学的研究人员所取得的新的研究进展为包括量子传感和AR/VR 头戴装置的大范围的应用实现轻便和有效的应用打开了一扇大门。

图2 入射光可以被分解成三个不同的独立的光束，每一光束具有不同的性质，右边的为一个传统意义上的激光束，中间为贝赛尔光束（Bessel beam），左边则为光学涡旋（(Optical Vortices)是一种具有螺旋型波前结构和确定的光子轨道角动量的特殊光场））

我们目前研发的这一办法为光学源的发射的工程应用和控制多个功能的光束，如聚焦、全息图、偏振和光束整形在一个单一的超材料表面进行控制铺平了道路，Federico Capasso说道，他是SEAS的电子工程系的高级研究院和应用物理及Viton Hays的 Robert L. Wallace教授以及该论文的高级作者。

可以调制的激光束主要由两部分所组成：一个激光半导体和一个反射的超材料。不像以前的超材料，主要依靠单独的棱柱的网络结构来控制光，当前的工作是该超材料使用一个称之为超晶细胞——一组棱柱一起工作来控制光的不同方面。

当光从半导体材料进入到超材料的超晶细胞时，光的一部分被反射回去，在半导体和超材料之间创造出激光空腔。光的其他部分则反射进入到一个二次光束中，该二次光束在第一次的时候是独立的。

当光击中超材料的时候，不同衍射的光偏斜到不同的方向， Christina Spgele说道，他是SEAS的研究生和该论文的第一作者，我们可以很好的控制这一效应和设计它，使得它只是我们所选择的波长和以正确的方向进入半导体，使得激光的运行只在特定的波长下进行。

为了改变激光波长，研究人员将超材料相对半导体改变方向即可。

这一设计变得结构更为简单和紧凑，是当前现存的最为方便调制波长的激光，这是因为它不需要任何可旋转的组件，Michele Tamagnone说道，他是SEAS的博士后研究人员和该论文的共同作者。

该研究团队进一步的证实了激光束的形状可以完全实现控制来投射出复杂的全息图以及它具有将光分解成三个不同的激光束的能力，每一激光束具有独立的性质：一个传统的激光束，一个光学涡旋和一个贝塞尔激光束，这看起来就像靶心，并且可以应用在诸如光学光镊的场合。

除了可以控制任何类型的激光之外，这一能力还可以产生多个平行的和在任意角度的直接的光束，每一光束可以具有独立的性质，这将促使该技术在科学研究仪器和虚拟现实和全息上具有重要的应用，Capasso说道。

图3 具有全息输出激光束的超材料外部强激光（metasurface external cavity laser (MECL)）

该论文以题目“Multifunctional wide-angle optics and lasing based on supercell metasurfaces”发表在顶刊

文章来源：Spgele, C., Tamagnone, M., Kazakov, D. et al. Multifunctional wide-angle optics and lasing based on supercell metasurfaces. Nat Commun 12, 3787 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-24071-2