她用“拧魔方”的方式，让激光学会了自己转向｜对话港中深管君

激光器已经能够做到微纳尺度，但“变小”并不意味着它变得足够“聪明”。在今天的光学系统里，激光器通常只负责产生光。想让光束转向、改变偏振，或形成特定的空间图案，仍需要扫描器、偏振器、波前调控等外部元件完成。

对于正在走向轻量化和芯片化的近眼显示、三维成像、智能感知与自由空间通信等系统来说，一个越来越现实的问题正摆在面前：如果光源已经足够小，控制光的系统却依然庞大复杂，真正的集成该如何实现？

香港中文大学（深圳）助理教授管君一直围绕的研究，正是想探索这个问题的答案。

她本科就读于四川大学物理专业，博士阶段赴美国西北大学，开始研究纳米激光器。最初，她希望把激光器做得更小、阈值做得更低。但实验中的一些“异常”逐渐改变了她关注的问题：更换腔体后，阈值并未如预期降低，激光却出现了异常的出射方向和此前未见的偏振特性。

她进一步思考：这些性质能不能人为设计？调控程度如何？从那以后，管君开始将更多注意力从怎样产生激光，转向怎样控制激光发出来的光。

后来，这条研究线一路延伸到莫尔光子学和拓扑光子学。她与合作者发现，把两层光学晶格以一定角度叠加，可以利用转角改变激光发射方向；进一步设计梯度莫尔超晶格后，又可以在单个器件中实现连续的光束转向。最近，她和团队又将拓扑光子学引入激光设计，尝试直接决定激光输出的偏振和强度分布。

这些工作指向的是同一种可能：未来的激光器或许不再只是一个发光的器件，而是能够在光产生的同时，就决定光往哪里走、以什么偏振和空间形态发射。

这也是管君希望在前沿物理与实际器件之间搭建的一座“桥梁”。在她看来，新物理不仅应该产生新的现象，也需要寻找合适的应用出口；而来自应用端的需求，同样可以反过来推动新的物理和器件架构出现。

“也许最初大家对激光器的理解，就是一支能射出光束的激光笔，但我们更想做的是重新定义激光器可能的形态。”她表示。

凭借融合莫尔超结构与拓扑光子学，赋予微纳激光器可扫描、可重构的新能力，有望为新型光通信与量子光子器件开辟新路径，管君入选了 2025 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”（TR35）中国区名单。

近期，围绕激光器为什么需要变得更“聪明”、莫尔转角如何改变激光方向、拓扑物理又如何被用来设计复杂光场，以及距离真正的可编程激光芯片还有多远，DeepTech 与管君进行了一次深入讨论。

以下是我们的对话，经编辑和整理：

为什么激光器越来越小，却还是不够“聪明”？

DeepTech：你是在什么时候意识到，把激光器做得更小本身可能不是最关键的，真正重要而稀缺的是对光控制的能力？

管君：我博士最初的课题是量子点与等离激元耦合的纳米激光器，思路与传统方向相近：在缩小器件尺寸的同时降低阈值，并推动从光泵浦向电泵浦发展。当时胶体量子点激光是一个很新的研究方向，大家期望用它实现更低阈值的激光，而我们则希望借助等离激元谐振腔对光场的深亚波长束缚和增强，进一步提高量子点与光的相互作用，从而降低激光阈值。

但在实验中，更换腔体后并未如愿降低阈值，反而观察到激光出射方向异常、偏振特性前所未见等意外现象。这些异常启发我思考：这些性质能否人为设计？调控程度如何？

与此同时，AR、VR、激光雷达及手机面部识别等应用兴起，使我对激光器功能需求多样化有了更深刻认识：面部识别等高集成场景要求更强的光发射调控能力。这两方面结合，促使我将后续研究聚焦于从激光器光源本身实现对光发射的控制。

DeepTech：如果回头看过去十年的研究，你觉得自己真正研究的是激光器，还是怎样控制光？

管君：我会说自己真正研究的是如何在纳米尺度控制光，而激光器是这个问题非常重要的一个器件出口。

因为激光器本身并不只是简单的发出光，它里面同时包含了光的束缚、反馈、增益和输出过程，所以它天然是研究光场如何被组织和调控的一个平台。过去大家可能更多把光源和光场控制分开来看：光源负责产生光，后面的光学元件负责扫描、偏振控制、波前整形等等。但如果我们希望未来的光子系统更加集成，就不能只把激光器做小，还要思考能否在光产生的同时，就把一部分光场控制功能集成进去。

所以，我目前的研究对象以激光器为代表，但更核心的问题是：如何在微纳尺度上调控光的方向、偏振、强度分布和空间模式。其中的设计思想也可以进一步扩展到量子光源、片上光通信和智能感知系统等更广泛的纳米光子平台中。

DeepTech：微型激光器已能做到微纳尺度，但光束转向、改变偏振或形成复杂图案仍要靠外部元件，这是反常的现象还是自然的设计思路？

管君：这是很自然的设计思路——光源与控制分离，能最大程度实现独立调控，操作也最容易，这是最传统的方式。而我的研究更面向未来，从集成需求出发，提出能否只从光源端实现同样调控。

目前答案还很难，光源端的调控能力远不及分立元件，比如在输出功率、效率和动态可调性方面，都还有很多限制。这正是我们努力的方向。所以，我们团队正结合物理、材料、工程等交叉研究，探索单一光源能在多大程度上承担分立元件的功能。

DeepTech：你博士阶段做量子点-等离激元晶格激光器时，已经在研究偏振、方向和颜色，而不是单纯追求更低阈值或者更小尺寸。当时这可能还不是一个特别主流的评价维度，你在那时候已经意识到，未来激光器的竞争可能不在于更小的尺寸，而更多在于对光自由度的控制吗？

管君：在最初的研究中，我更多是好奇心驱使。因为当时最主流的方向是想要做更新、更低阈值、更小尺寸的激光器，但我想跳出原来的框架，去想一些不一样的问题。

同时，我也受到了一些实验现象的启发，于是就想研究到底能在多大程度上实现对光发射的调控。随着研究的逐渐深入，我也开始同时去关注应用端的需求，比如激光器在近眼显示、三维成像、智能感知、自由空间通信等系统上的应用。

这时候我才开始认识到，原本由好奇心驱使去问的那些问题，恰好也符合现在的应用需求。所以，从我博士期间的课题开始，到后面更深入的探究，实际上是一个演进过程。

扭一下晶格，激光为什么就“转向”了？

DeepTech：莫尔结构最直观的理解，是把两个周期结构稍微旋转一下。但你在 Nature Nanotechnology[1] 工作中发现，两层光子晶格即使相隔很远，却仍然可以保持相干耦合。当时最反常的地方是什么？按照此前的物理直觉，它们为什么“不应该”还能互相影响？

管君：这里最大的反常在于，它不是简单的“光可以传播很远”，而是发生在一个激光器体系里。普通光在空间中当然可以传播很远，但激光器不同，它需要一个腔体把光束缚住，才能让特定模式不断获得反馈和放大。

以往单层晶格是作为腔体把光束缚在晶格表面，来产生光的反馈和放大。如果要让两层晶格相互影响，它们需要靠得非常近，因为近场作用随距离衰减很快。两层结构一旦分开得比较远，按照传统直觉，它们就应该分开各自工作，不应该还能共同决定激光模式，更不应该影响激光往哪个方向发射。

但我们的实验看到的恰恰相反：即使两层光子晶格之间相隔已经远超近场作用范围，它们仍然能够保持相干耦合，并且这种耦合会决定激光的出射方向。后来我们确认，这不是传统意义上的近场耦合，而是由一种暗态表面晶格共振模式介导的超长程远场耦合。可以理解为，两层晶格通过一个集体共振模式，在超远距离上建立了相干联系。

（来源：Nature Nanotechnology）

这个发现最初是实验中的偶然现象。我们之前做一个白光激光器的工作，想同时产生红绿蓝三种颜色，将两层晶格在远距离上叠加，希望它们各自独立作用。但实验时发现在异常的出射方向上发出了激光，意味着双层晶格之间产生了耦合作用。随后，我们做了大量实验，改变不同设计和层间距离，反复确认这不是偶然，又做了机制上的理论解释，最终认定这是一种新现象。

这项工作的关键不只是看到“两层相隔很远还能相互作用”，而是说明在光子莫尔晶格中，远场通道也可以成为一种有效的层间耦合机制和激光谐振腔设计方式。这突破了过去把光子晶格层间耦合只理解为近场效应的直觉，也让扭转角和面外间距成为可以设计激光输出的新自由度。

DeepTech：这项工作一个很有意思的结果是：改变两层晶格之间的扭转角度，就改变了激光发射的方向。莫尔结构是给传统激光器增加了一个怎样的“旋钮”，才实现了这样的效果？

管君：旋转带来的是一种新的晶格图案，我们把它叫做莫尔纹。其实在生活中也会出现这样的莫尔纹，比如两层纱窗叠加在一起，会出现一些更大周期的大图案。

在纳米尺度上，这种双层纳米颗粒晶格的叠加会带来物理上光子在双层之间的耦合作用，双层之间的旋转角可以改变光学模式，以及这些光学模式在动量空间中的物理性质，反映到激光上就是激光输出特性可以被设计和调控。

所以，我们实际上是在激光器的设计中加入了双层结构和扭转角，给激光带来可调性。通过面内的扭转角设计，可以影响激光发射的角度。可以想象，激光雷达的扫描功能可以通过一个平面内的结构转角设计来实现。

DeepTech：二维材料领域有魔角的概念，让莫尔结构备受关注。它从凝聚态物理的热门概念进入到光学领域，是怎样一种转变？

管君：在魔角概念出现之前，光子器件的研究已经从单层向多层发展。单层超表面可以通过对纳米粒子的大小和方向进行设计来实现调控功能，而其发展趋势在于可重构性，即器件加工后仍保留可调性，而不是每种功能都需要重新写入，这本身就是一个趋势，双层结构自然能带来更高的调控自由度。

与此同时，二维材料中的“魔角”开始受到广泛关注，在莫尔体系中发现了平带、强局域化以及关联效应等丰富物理现象。这给光学体系带来了很重要的启发：在光子晶格中，扭转角同样可以用来调控光子能带、模式耦合，以及光场的局域化和非局域化行为。我认为，莫尔光子学正是一个很好的汇聚点：一方面能利用魔角带来的新物理，另一方面有明确的工程化应用出口，即可重构、可调的光子器件，同时也涉及新材料的设计与物理现象的工程转化。

因此，莫尔光子学作为一个交叉研究平台，既能探索新物理，也能衔接应用问题，吸引不同背景的研究者共同解决重要的科学问题。

DeepTech：在你的研究过程中，有没有哪一方面或哪个事件，对你影响比较大？

管君：对我影响比较大的，是让我开始更加重视实验里的“反常现象”，也更愿意在质疑中把问题想清楚。

比如双层光子晶格远场耦合的工作，一开始其实很出乎意料。我们本来以为两层相隔比较远，应该各自独立工作，但实验里却看到了异常的激光发射。这个结果和直觉不一样，所以我们就一直追问：它到底是双层晶格耦合之后的谐振模式，还是某种反射腔造成的？

后来也确实有一些质疑，比如是不是材料反射或者其他常规效应造成的。这个过程反而很有帮助，因为它促使我们从不同角度去验证，做更多控制实验，也把理论解释想得更完整。

所以这个过程让我发现，有时候真正有意思的问题，恰恰是从那些“不太对劲”的实验结果里冒出来的。而质疑并不是坏事，它会帮助我们从不同角度更深入地思考自己的研究。

从“扭一下”到真正扫描激光

DeepTech：在发表于 Science Advances 的工作 [2] 中，你和团队把空间连续变化的局域扭转角直接“写”进了同一个器件。从固定扭角到梯度莫尔超晶格，这一步为什么这么重要？

管君：我们在 2023 年的 Nature Nanotechnology 工作 [1] 中已经证明，改变两层光子晶格的扭转角可以改变激光发射方向。在我回国组建团队之后，开始思考是否可以把变化的扭转角“写”入同一个器件，以及是否有更简单、更低成本的加工制备方式让莫尔超晶格不再依赖复杂昂贵的微纳加工设备。

我认为，Science Advances 工作 [2] 的重要性在于一种新的超晶格设计思想和溶液辅助加工方式的巧妙结合，我课题组的博士后牟南历（论文第一作者）在这个方向上做出了一系列重要贡献。

我一直希望在研究中跳出传统框架，比如早期大家关注阈值时，我们已在探索更丰富的光场调控。转角工作出来后，很多研究试图精确控制两层晶格的转动，但这在纳米尺度下非常困难，因为两层晶格需要靠得很近才能产生强相互作用，其中层间距离、旋转角度、加工误差等等都会直接影响最终效果，对制备精度要求很高。

（来源：Science Advances）

我们团队则跳出传统思路：不再追求把两层晶格精确旋转到某一个特定角度，而是直接设计梯度变化的莫尔超晶格，让局域扭转角在同一个样品中连续变化。这样，单个器件就可以覆盖一系列连续变化的局域转角，并对应产生连续可调的光学响应。

当然，要实现这种连续转角设计，也对材料和加工方法提出了新的要求。它不能只依赖小面积、复杂昂贵的精密加工，而需要一种更适合大面积、可扩展制备的路径。为此，我们采用了溶液辅助的纳米压印方法，同时构筑光子晶格和增益材料。

这种思路的价值不在于某个明确应用，而在于打开新的可能性，让人们看到莫尔研究还有这样一种新路径。

DeepTech：如果从实验室阶段往产业化进一步发展，那么从看到光束转向的现象，到真正装进车或机器人，大概还需要多久？目前最大的障碍可能是什么？

管君：现在我们的研究仍处于从实验室到应用的中间阶段，也就是将前沿物理向有前景的应用方向推动，但还未到产品化阶段。

我们目前做的是将光源变成一个可调控光输出的器件，其最先的应用场景可能不在于大型激光雷达或车载雷达，而是更适用于对集成度和结构光发射要求较高、但对功率等纯性能指标要求相对较低的场景，比如手机上三维显示、面部识别，或小型化 AR、VR 设备，微型机器人以及一些科研场景中的小型器件。

因此，我认为技术的应用更可能出现在未来对集成度要求越来越高、并高于对单一性能指标要求的场景。

DeepTech：如果未来莫尔方案进入市场，与同类技术相比，它有哪些独特的优势？

管君：一方面，现有激光器应用多是先产生光再调控光，比如激光雷达已有的扫描方案，商业市场已有相应路线。而我们的莫尔方案是在激光器本身实现光场调控，潜在优势在于让系统结构更紧凑、集成度更高。

另一方面，我也不想将其窄化为专门服务于某一个应用的方案，它更重要的是打开了一个新窗口，给应用端提供了新的可能性。

当前莫尔研究多集中于物理新现象，而我们将新物理与实际激光器件应用做了衔接，既让物理研究者看到未来的器件出口方向，也为应用端提供了在单一器件中直接实现全部调控功能的新型设计和实现方式。

从“让它发光”到“决定发出什么光”

DeepTech：过去拓扑激光器的一个重要研究方向，是利用拓扑性质获得更鲁棒、更稳定的激光模式；而你和团队在今年发表于 Nature Communications 的工作 [3]，目标不是让它稳定发光，而是用拓扑决定它发出怎样的光。请问这项工作是源于怎样的设想或想法？

管君：我此前研究主要围绕莫尔超结构和激光设计，而这项工作是我们首次运用拓扑光子学设计原理，也是我在建立团队后由博士生仲谋（论文第一作者）主导完成的工作。

对我来说，这项工作很有代表性的一点在于，它不是简单沿着已有方向往前推进，而是在不同背景之间产生的碰撞：一方面是我们一直关注的微纳激光和光场输出调控，另一方面是拓扑光子学中关于模式、对称性和拓扑保护的设计思想。这种交叉融合，正是我建立团队之后一直希望形成的科研模式。

拓扑光子学是一个很重要的方向，是利用拓扑保护获得更鲁棒、更稳定的光学模式，放到激光器里，就是希望实现稳定、抗扰动的激光输出。但我们当时在思考，拓扑能不能不只是用来“保护”一个模式，而是进一步用来“设计”一个模式

所以我们在这个大方向中寻找可以服务于光场调控的机制，最后选择了狄拉克涡旋腔体这一体系。它的特点是可以通过光子质量项的空间变化来调控局域模式，而我们进一步把这种质量涡旋从二维设计扩展到三维参数空间，把径向位移、角向位移和粒子尺寸等结构参数结合起来。

这样，拓扑不再只是保证激光模式稳定存在，而是成为调控输出光场的设计工具。最终，我们实现了对偏振纹理、强度分布和非对称远场光束形态的联合调控。

（来源：Nature Communications）

DeepTech：可不可以这样理解：过去设计激光器，更多的是决定它能不能稳定发光、哪个模式发光，现在你和团队的工作相当于进一步给输出光场“写程序”，也就是决定它是什么偏振、强度分布，光束呈现什么状态？

管君：是的，可以这样理解。过去我们设计激光器，更多关注的是它能不能产生激光、在哪个模式上发光，以及这个模式是否稳定。而我们现在更进一步，希望把激光输出本身也纳入设计对象。

也就是说，不只是让激光“发出来”，还要决定它“以什么样的光场形式发出来”。比如它的偏振如何分布、强度在空间中怎样变化、远场光束是对称还是非对称、能不能形成特定的结构光模式。这像是在给激光输出写入一套“程序”，只不过这个程序不是软件代码，而是写在纳米结构、对称性和拓扑参数里的。

DeepTech：一个激光器最终可能有多少个独立可控的自由度？未来有没有可能像编程显示屏像素一样，直接编程激光输出？

管君：显示屏和我们追求的目标还是有些不同：显示屏的每个像素都是独立发光；而我们追求的目标，不是靠外部光学元件在激光出光之后再去做调控，而是希望激光器本身直接输出经过调控的光场。

在这项工作中，我们利用几个参数实现了对光场偏振的调控。未来，光还可携带信息，如颜色代表不同通道，偏振方向或发射方向也有很大设计空间。我们目前聚焦于偏振特性和强度分布，借助三维光子质量项进行调控。但这仅是开始，后续我们还会探索用其他物理原理去独立操控更多的光场自由度。

DeepTech：莫尔光子学和拓扑光子学原本是两套不同的物理框架，但现在它们都进入了你的激光器设计。你之前提到下一步计划将莫尔、拓扑、非厄米和非线性量子发光进一步融合，那是否存在风险：自由度越多、器件越复杂，理论上可控，但实际制造可能很困难？

管君：这确实是个重要问题，自由度并非越多越好。判断一个自由度是否值得引入，首先要看它能否解决传统方法无法解决的问题。比如，我们之前研究中的双层扭转角和狄拉克涡旋自由度，都带来了传统方法无法实现的新功能。

另一方面，也要看自由度的引入是否与现有加工制造兼容。有些物理自由度并不会增加工程设计复杂度，虽然利用了新的物理自由度，但仍可用传统加工方法实现。

不过这也会带来新挑战，比如需要开发新材料或新工艺，以及关注大面积加工的可扩展性、制造稳定性和良率，即加工结果能否实现预期功能，是否对缺陷敏感。这些都需要实验进一步验证。

从论文到产品，还差几步？

DeepTech：未来如果发展可编程激光芯片，以目前领域的技术进展来看，还有哪几块关键技术需要补齐，才能推动它继续往前发展？

管君：我认为最重要的一个就是从光泵浦到电泵浦器件的转变过程。因为我们现在的研究更多还是关注能否实现、能否直接产生复杂光场，所以我们主要用光泵浦进行实验室验证。

但未来如果要真正走入产业，电泵浦是一个很必要的条件。从光泵浦到电注入，其中涉及电子器件的稳定性和兼容性问题，这是当前最关键的问题。当然，除了电泵浦之外，器件的稳定性、材料的稳定性，以及封装集成等方面也会涉及很多工程上的问题，这些都是后续需要去考虑和解决的。

DeepTech：几年之后，你希望未来领域如何评价你和团队的一系列创新工作？比如，是发明了几种新的微纳激光器，建立了莫尔光子学和拓扑激光的新方法，还是开始重新定义“激光器到底是什么”？

管君：我希望我的研究能够起到一种“桥梁”的作用，在前沿物理光学原理的探索与器件应用之间搭建起通道。

一方面，我们为正在蓬勃发展的莫尔物理和拓扑物理找到了合适的光子器件应用出口，一个有前景、可落地的场景；另一方面，从应用需求出发，提出新的架构和器件设计方式，来重新定义“未来激光器的形态”。

这有点像早期的手机只用来打电话、发短信，而现在的手机已经集成了各种各样的功能。也许最初大家对激光器的理解就是一支能射出光束的激光笔，但我们更想做的是重新定义激光器可能的形态。

在这个过程中，我们把应用需求与已有的技术研究和对光的理解结合起来，最终交汇到微型激光器这一关键点上。

参考资料：

1.J. Guan*, J. Hu, Y. Wang, M. J-H. Tan, G. C. Schatz, and T. W. Odom*, Nature Nanotechnology 18, 514-520 (2023).“Far-field Coupling between Moiré Photonic Lattices.”DOI: 10.1038/s41565-023-01320-7

2.N. Mou, B. Tang, J. Yu, D. Zhang, Z. Bai, M. Zhong, X. Zhuo, B. Xie, Z. Zhang, S. Deng, A. L. Rogach, J. Hu, and J. Guan*, Science Advances 11, eadz8028 (2025).“Gradient Moiré Perovskite Superlattices for Laser Beam Steering.”DOI: 10.1126/sciadv.adz8028

3.M. Zhong, X. Bi, M. Song, N. Mou, D. Zhang, X. Zhuo, J. Hu, B. Xie, X. Ao, and J. Guan*, Nature Communications 17,4161 (2026).“Plasmonic Dirac-vortex Lasers via Three-dimensional Photonic Mass Vortices Engineering.”DOI: 10.1038/s41467-026-70833-1

4. 个人主页：https://sse.cuhk.edu.cn/faculty/guanjun

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