Advanced Photonics | 用激光光纤腔中的超表面进行时空模式控制

图：使用与ENZ材料强耦合的超表面的腔内时空调制。腔内时空调制示意图。来源：Advanced Photonics (2023). DOI: 10.1117/1.AP.5.2.026002

       超表面对于操纵光的振幅、相位或偏振具有高度的通用性。在过去十年中，超表面被提出用于从成像和全息到生成复杂光场图案的广泛应用。然而，迄今为止开发的大多数光学超表面都是仅与外部光源一起工作的隔离光学元件。

       尽管它们在空间上操纵光场方面具有多功能性，但大多数超表面只有固定的、时间不变的响应，并且控制光场的时间形状的能力有限。为了克服这些限制，研究人员正在研究如何将非线性超表面用于时空光场调制。然而，大多数用于构建超表面的材料本身具有相对有限的非线性光学响应。

       解决超表面材料有限非线性的一个方案是与具有极大光学非线性的介质的近场耦合。 Epsilon-near-zero (ENZ) 材料是一类具有消失介电常数的新兴材料，近年来备受关注。例如，氧化铟锡（ITO）是一种导电金属氧化物，广泛用作太阳能电池和电子产品中的透明电极，在近红外范围内，其介电常数通常超过零。

       一种线性折射率接近零的ENZ材料具有极大的非线性折射率和非线性吸收系数。

       清华大学和中国科学院的研究人员最近通过将ENZ材料直接耦合到光纤激光腔中的超表面，产生了具有确定时空轮廓的激光脉冲，相关研究发表在《Advanced Photonics》。

       研究人员使用由空间不均匀各向异性金属纳米天线构成的超表面的几何相位来调整输出激光束的横向模式。ENZ耦合系统的巨大非线性可饱和吸收允许通过Q开关过程产生脉冲激光。为了提供原型，研究人员实现了一种具有不同拓扑电荷的微秒级脉冲涡流激光器。

       这项工作为以紧凑的形式构建具有定制时空模式轮廓的激光器提供了新的途径。为了进一步实现系统小型化，可以将超表面集成在光纤端面上。

       通讯作者 Yuanmu Yang表示，“我们希望我们的工作能够进一步探索空间光场操纵的超表面多功能性，利用其巨大且可调整的非线性，生成具有任意空间和时间轮廓的激光束。”

       Yang指出，这一创新方法可能为下一代小型化脉冲激光源铺平道路，这些脉冲激光源可用于各种应用，如光捕获、高密度光学存储、超分辨率成像和3D激光光刻。

1. Wenhe Jia et al, Intracavity spatiotemporal metasurfaces, Advanced Photonics (2023). DOI: 10.1117/1.AP.5.2.026002