近日，物理科学与工程学院王占山和程鑫彬团队应Photonics insights主编邀请，撰写了题为“Fundamental and emerging applications of metasurfaces in laser optics: an overview”的长篇综述，并以封面文章形式发表于Photonics Insights 2026年第2期。该综述系统阐述了超表面在激光系统中的最新研究进展，涵盖其物理机制基础及其在被动与主动激光系统中的应用。其中，“主动系统”特指将超表面集成于增益介质内部的激光系统。最后并对超表面技术在激光系统领域的发展前景进行了展望。
一、被动超表面在激光系统中的应用
自1960年首台激光器问世以来，激光因其优异的单色性、相干性和高亮度，已广泛应用于通信、工业检测、医疗、激光雷达等领域。随着器件向芯片级集成与系统级融合方向持续发展，目前核心研究趋势正聚焦于如何在有限空间内实现激光产生及其可编程调控。在过去，大多数输出自由度，如偏振、相位、振幅等，均由外部光学元件（棱镜、透镜、波片及空间光调制器）设定与修整，导致器件体积庞大、重量增加且性能受限。
在此背景下，被称为超表面的平面人工微结构器件受到了广泛关注。通过调控其晶胞单元的几何构型或空间排布方式，超表面能够实现对光场偏振、相位、振幅及频率等多维度的灵活操控。得益于其亚波长尺度的周期结构，超表面能够在极小空间尺寸内完成激光波前设计，为激光的芯片级调控提供了更高功能密度和可编程性的技术路径。
将超表面作为被动光学元件直接对激光器输出光场的波前进行调控，是目前超表面在激光系统中最直接且成熟的应用形式。图1展示了利用光学奇点实现对光谱反射、透射和吸收的精准控制。此外，借助电磁多极共振与手性结构设计，亦可实现光场振幅的高精度调控。上述调控手段不仅能够实现传统功能，如光学滤波和抗反射等，更为光谱分析、光学传感等先进激光系统的发展奠定了关键技术基础。
图1 基于光学奇点的光谱调制
针对冷原子系统、激光雷达、光学成像及光学通讯等应用场景对激光相位、偏振及方向性的多样化需求，综述第三部分进一步总结了利用被动超表面实现的多种波前调控功能，包括光束异常偏折、光束聚焦及矢量光场生成等。图2展示了基于超表面生成的矢量光场典型结果。
图2 超表面驱动的矢量光场
传统超表面设计多依赖人类直觉与试错方法，结合全波电磁仿真进行光学特性预测。然而，该方法在探索高维参数空间以实现目标光学响应时，存在计算资源消耗大、设计效率低等显著局限。针对复杂、苛刻激光系统对超表面设计的高要求，图3汇总了近年来发展的多种智能优化算法。这些算法将所需光学响应设为目标函数，通过在纳米结构参数空间中进行迭代搜索，最小化预设损失函数，从而高效获得满足性能需求的最优设计参数。
图3 用于超表面设计的智能优化算法
二、激光特性驱动的超表面新兴应用
超表面优异的光场调控能力有力推动了激光系统向小型化与多功能化方向发展。与此同时，激光所特有的高单色性、高相干性及高功率特性，也为超表面的新兴应用注入了新的驱动力，催生了非线性效应增强、非互易性传输及光学操控等前沿方向。
在非线性光学领域，非线性光学效应的强度通常取决于入射光电场强度、材料非线性极化率及相位匹配条件。然而，在块体材料中，传统非线性过程往往受限于严苛的相位匹配要求，使实际转换效率大打折扣。超表面则为突破这一瓶颈提供了全新的解决路径：激光的高功率特性可与超表面的强局域场增强效应形成优势互补；同时，由于超表面具有亚波长级厚度，非线性转换过程几乎不受传播损耗和相位匹配条件的制约。这使得非线性超表面迅速成为非线性光学研究的前沿热点之一。为在超表面中进一步增强非线性响应，研究者们积极探索各类高Q共振机制，包括多极子共振、Fano共振，非辐射型anapole态以及BICs等，如图4所示。这些共振模式能够在亚波长尺度内实现光场强局域，为低泵浦功率下获得高效非线性转换提供了可行途径。
图4 基于超表面的非线性光子学
另一项受益于激光特性的重要应用是光学操控。自Ashkin开创性地利用激光束捕获粒子以来，光学操控已发展为一种非接触式、高精度的微纳尺度粒子操控技术，并广泛应用于生命科学、材料科学、量子科学及纳米技术领域。在光学操控过程中，光强梯度产生梯度力，将粒子束缚于焦点区域；光束动量则产生散射力，驱动粒子沿传播方向运动。上述功能对光束聚焦质量与激光功率提出了严苛要求，尤其在对微小粒子进行操控时更为突出。与此同时，超表面技术为光波调控提供了前所未有的自由度，可实现近场与远场光场形态的重构。其平面化、可集成化及多功能化等特性使其在微纳尺度光学操控及先进光镊系统的无缝集成方面展现出巨大应用潜力，如图5所示。
图5 基于超表面的光学操控
三、超表面用于激光生成
激光产生的三大核心要素包括增益介质、泵浦源及光学谐振腔。超表面能够在亚波长尺度内实现局域光场，显著增强光与物质相互作用，因而被视为光学谐振腔的有效替代方案。近年来，面向微型化与高度集成光子系统日益增长的需求，多功能、高效率纳米激光器的研发取得了长足进展，光子晶体表面发射激光器及BICs激光器等新型器件已成功实现了低阈值激光输出。
在众多设计因素中，增益介质的选择对器件光学性能、电学特性及集成潜力具有决定性影响。综述第四章节系统总结了多种增益介质在纳米激光器中的应用进展, 涵盖钙钛矿、量子阱、量子点、有机染料、稀土掺杂上转换纳米颗粒及过渡金属二硫化物等材料，并对其独特性能与优势进行了对比分析。图6展示了以有机染料为增益介质的纳米激光器典型结果。
图6 基于有机染料的纳米激光器
更进一步，先进应用要求在同一块超表面器件上同步实现激光产生及波前调控，这意味着超表面需同时具备高品质因子谐振腔功能与独立的相位调控能力。传统支持扩展晶格共振的周期结构，虽能实现高品质因子共振，但因高度对称性限制，其波前整形能力存在根本性不足。非局域超表面的兴起为破解这一矛盾提供了可能路径：非局域超表面可支持高度离域的强谐振模态，且无须依赖周期性排列，从而允许结构单元按所需波前独立设计，如图6(d)所示。
四、总结与展望
该综述立足于激光的物理特性与激光系统的实际需求，系统阐述了超表面在激光领域的最新研究进展，涵盖其物理机制基础，以及在被动与主动激光系统中的应用。其中，“主动系统”特指将超表面集成于增益介质内部的激光系统。并指出：尽管超表面技术已取得显著突破，但从概念验证走向可大规模部署的现实激光系统，仍面临若干关键挑战。当前研究多聚焦于光学效率与功能集成度的提升，而对其在高功率或大规模运行条件下的实际表现关注不足，具体涉及热稳定性、光学损伤阈值以及大面积可扩展制备等工程化瓶颈，如图7所示。突破这些局限对于充分发挥超表面在激光系统中的变革性应用潜力具有至关重要的意义。
图7 激光超表面光明未来的展望
同济大学何涛助理教授、博士研究生饶晓峰为论文的共同第一作者，同济大学程鑫彬教授为论文通讯作者，对论文具有突出贡献的合作者还包括同济大学博士后冯超、博士后李程峰、博士研究生张婧瑶、博士研究生樊俊名、魏泽勇副教授、施宇智教授、王占山教授等。
论文链接：https://www.researching.cn/articles/OJ69a879430e327b0b
