激光器很少单独工作。无论是在科学研究还是工业应用中，激光束通常都会通过一系列离散的光学元件。镜子用于引导激光束的方向，波片控制其偏振，空间光调制器则塑造其波前。在传统的激光系统中，增加功能通常需要更多的光学元件，这既增加了系统的体积，也提高了插入损耗。这种复杂性的增加带来了更严格的对齐要求，并增加了随时间漂移的风险。因此，尽管激光源本身可能非常紧凑，但为了准备好激光束所需的光学系统往往并不紧凑[见图 1(a)。
图 1
从传统的激光系统到集成了增益功能的超表面激光器。(a) 在传统激光系统中，位于激光器之后的离散光学元件控制其输出光的传播方向、偏振和波前。(b) 在超表面激光器中，扩展的集体模式与嵌入的增益介质（橙色点）耦合，提供光学反馈并控制光向自由空间的耦合。
超表面可以用纳米结构阵列替代多个离散的光学元件，这些纳米结构阵列可以操控光的相位、幅度和偏振[1,2 [见图 1(b)]。He等人最近的一篇综述[3]概述了超表面在激光光学中的基础和应用前景。该综述首先探讨了通过传播、共振、几何、绕行和异常拓扑相位实现相位调制的物理机制，以及通过吸收、共振、马吕斯定律和光学干涉实现幅度调制的机制。随后，作者将这些机制与激光系统中的超表面功能联系起来，包括波前塑造、非线性和非互易响应以及光检测。
作者接着讨论了从仅用于形状外生成激光束的超表面发展到集成了增益功能的超表面，在这种超表面中，共振纳米结构、增益介质和发射场是共同设计的。在传统的局部超表面中，每个超原子的响应主要由其附近的几何形状决定，设备功能取决于这些局部响应的空间排列。相比之下，激光振荡是由与增益介质耦合的集体共振模式支持的。非局部超表面为这种振荡提供了一个自然平台，因为单元细胞之间的电磁耦合产生了受光子带结构控制的扩展共振。在连续介质中的对称性保护束缚态（BIC）中，扩展模式与辐射连续体解耦；而受控的对称性破缺则将其转化为具有有限辐射损耗的准BIC[4–6。当准BIC在空间和光谱上与增益介质重叠时，其集体共振可以提供光学反馈，维持激光振荡，并控制激光辐射在纳米结构阵列内的耦合。
He等人调查了近期在集成增益功能超表面方面的进展。非局部超表面通过阵列内的电磁耦合支持扩展的共振模式，而结构对称性的破缺则产生局部偶极响应，将这些模式与远场耦合[3,7。这些局部扰动还可以改变集体模式，使其共振波长发生偏移
未来超表面驱动的激光系统的发展方向可以在材料、结构和系统层面进行考虑。在材料层面，电光、磁光、相变和机械光材料可以实现制造后的可调性，将具有固定响应的超表面转变为可重构的超光源[14]。在结构层面，多个集体模式、对称性破缺通道和光子带拓扑之间的相互作用使得在同一设备内同时优化光学反馈和远场耦合成为可能。正如He等人指出的，热管理和抵抗激光引起的损伤对于系统的稳定性至关重要，而大面积制造和与光电子组件的兼容性则是实现可扩展制造和设备集成的前提。超表面在激光技术中的未来角色将取决于这些材料、结构设计和系统工程的进步如何在完整的激光系统中协同发挥作用。这种集成开启了一条新的路径，超表面正在逐渐发挥更多作用，而其全部潜力仍有待探索。
