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哈佛大学研究人员利用超材料实现了前所未有的激光控制，可以轻松高效地将一束激光同时分解为三个具有不同特性的独立激光：传统激光束、光学涡旋和贝塞尔激光束。

哈佛大学的研究人员推出了一种简单的超材料，可以有效地调制激光束的不同特性，包括 无需额外光学元件的波长。这种超材料可以将激光束分解成几个不同的光束并独立控制它们的形状和强度，并且可以以精确和节能的方式实现。

精确控制激光束的不同特性对于生物医学研究设备中的虚拟现实耳机到显微图像非常重要。目前的许多激光系统都依赖独立的旋转组件来控制激光束的波长、形状和能量，这使得控制装置非常笨重且难以控制和操作。

图1超晶电池超材料概念图

哈佛大学研究人员取得的新研究进展为包括量子传感和 AR/VR 耳机在内的广泛应用打开了大门，以实现轻巧有效的应用。

图2入射光可以分解成三束不同的独立光束，每束都有不同的性质。右边的是一束传统意义上的激光束，贝塞尔光束在中间，光学涡流在左边。((Optical Vortices)是一种螺旋波前结构，确定的光子轨道角动量的特殊光场)))

我们目前开发的方法是工程应用和控制发射光源 在单个超材料表面上控制光束的多种功能，例如聚焦、全息图、偏振和光束整形，以铺平道路，电子工程系应用物理高级研究所和 Viton 的 Federico Capasso 说SEAS 的要求。 Hays 的 Robert L. Wallace 教授和该论文的资深作者。

调制激光束主要由两部分组成：激光半导体和反射超材料。与以往的超材料主要依靠单个棱镜的网络结构来控制光线不同，目前的工作是超材料利用一组称为超晶胞的棱镜协同工作来控制光线的不同方面。

当光从半导体材料进入超晶胞的超晶胞时，部分光被反射回来，在半导体和超材料之间创建一个激光腔。另一部分光被反射成次级光束，该光束在第一时间是独立的。

当光线照射到超材料上时，不同的衍射光会偏转到不同的方向，来自 SEAS 的研究生 Christina Sp?gele 说。论文的第一作者，我们可以控制这种效应并对其进行设计，使其仅是我们选择的波长并以正确的方向进入半导体，从而使激光仅在特定波长下运行。

为了改变激光波长，研究人员可以改变超材料相对于半导体的方向。

这种设计变得更简单、更紧凑。 SEAS 博士后研究员、该论文的合著者 Michele Tamagnone 说，它是调制波长最方便的激光器，因为它不需要任何可旋转的组件。

研究团队进一步证实，可以完全控制激光束的形状来投射复杂的全息图，并且具有分解光的能力进入三种不同激光束的能力，每一种都具有独立的属性：传统激光束、光学涡流和贝塞尔激光束 ，这看起来像靶心，可用于光镊等应用。

除了控制任何类型的激光外，该能力还可以产生多个平行和直接光束、每条光束都可以具有独立的属性，这将鼓励该技术在科学研究仪器和虚拟现实和全息技术上有重要的应用，卡帕索说。

图3具有全息输出激光束（超表面外腔激光器（MECL））

的论文题目是“Multifunctional Wide - “基于超晶胞超表面的角度光学和激光”发表在顶级期刊 来源：Sp?gele, C., Tamagnone, M., Kazakov, D. 等人。多功能广角基于超晶胞超表面的光学和激光。Nat Commun 12, 3787 (2021)。

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