【研究成果】物理学院陈自宇研究员在激光等离子体领域取得重要进展

2026年7月9日，光学顶尖期刊《Light: Science & Applications》（影响因子24.0）在线发表了题为“Plasma-state metasurfaces for ultra-intensive field manipulation”的重要成果。四川大学物理学院陈自宇研究员等人联合上海交通大学、北京理工大学、香港大学等研究团队，首次提出并实验验证了“等离子态超表面”概念，成功突破传统固体超表面光学元件的强度天花板，为超强激光的精细调控开辟了新路径。

超短超强激光是当代物理学研究最重要的工具之一，在焦点处可实现超过10²³W/cm²的极端光强，但长期以来，传统光学元件及固体超表面均无法承受如此高强度，极易被烧蚀损坏，导致“最强激光最难被调控”的困境。

针对这一难题，研究团队创新性地提出利用超短飞秒激光将预制固体超表面瞬间电离为等离子体。由于脉冲极短（通常小于100飞秒），离子来不及膨胀，原始纳米结构的几何形态得以“冻结”，从而在等离子体态下继续发挥Pancharatnam–Berry几何相位调控功能，使其具备操控超强激光的潜力。

图1 等离子体态超表面的概念及用于光子自旋霍尔效应的实验装置

实验在上海交通大学激光装置上完成。团队在远超金纳米结构烧蚀阈值的光强下，成功观测到等离子态超表面产生的光子自旋霍尔效应，验证了其在强场下的调控能力，这也是光子自旋霍尔效应首次在等离子体态材料中、在强激光场条件下被观测。精密的时间分辨泵浦-探测实验表明，该等离子态超表面功能寿命约3皮秒，1皮秒内仍保持90%效率，足以调控飞秒激光脉冲。三维数值模拟结果显示，即使在>10¹⁸W/cm²的相对论光强下，出现极端非线性和相对论效应，等离子体态超表面仍能有效工作。为进一步展示其相对传统光学元件的卓越能力，团队使用等离子体态超表面在实验上成功产生了拓扑荷l=8的稳定整数涡旋光束，有效克服了传统螺旋相位镜因宽带激光导致的“C形”畸变和不稳定问题。

该研究将超表面与强场科学这两个高度活跃但又截然不同的研究领域连接了起来，不仅将超表面的应用拓展至强场科学领域，还为超短超强激光的波前操控、紧凑型粒子加速及新型辐射源等前沿应用带来了全新的机遇。

四川大学物理学院为论文第一单位，陈自宇研究员为论文共同第一作者和共同通讯作者，其他通讯作者包括上海交通大学闫文超副教授和张杰院士、北京理工大学黄玲玲教授以及香港大学张霜教授。

该研究得到了国家重点研发计划、教育部基础学科和交叉学科突破计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项以及新基石科学基金会等资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41377-026-02304-7