研究人员利用超表面实现了超快光脉冲整形

示意图为更详细的脉冲整形设置。入射光脉冲（左）从光栅衍射，光栅将脉冲分散到不同的频率或颜色中。然后抛物面镜将分散的光线重新定向到刻有数百万根小柱的硅表面。纳米柱被专门设计成同时且独立地塑造每个频率分量的特性，如振幅、相位或极化。然后，第二个抛物面镜和衍射光栅将分离的组件重新组合成新形成的脉冲（右）。

Agrawal和NIST的HenriLezec及其合作者在《科学》杂志上描述了这一发现（“Ultrafast Optical Pulse Shaping using Dielectric Metasurfaces”）。

Lezec说：“我们希望将超表面的影响扩展到其典型应用之外——从空间上改变光学波前的形状——并用它们来改变光脉冲随时间的变化。”

一个典型的超快激光脉冲只能持续几飞秒，或者说是万亿分之一秒的千分之一，对于任何设备来说都太短了，无法在一个特定的瞬间形成光。相反，Agrawal、Lezec和他们的同事们设计了一种策略，首先通过使用一种称为衍射光栅的光学装置，将光分离成组成脉冲的各个频率分量或颜色。

每种颜色都有不同的强度或振幅——类似于音乐泛音由许多不同音量的单个音符组成的一样。当不同的频率分量指向纳米柱刻蚀硅表面时，会撞击不同的纳米柱组。每一组纳米柱都被量身定做，以特定方式改变元件的相位、强度或电场方向（极化）。然后，第二个衍射光栅将所有组分重新组合，以产生新的形状的脉冲。

研究人员设计了他们的纳米柱系统，用于超快光脉冲（10飞秒或更小，相当于1万亿分之一秒），这些超快光脉冲由宽范围的频率成分组成，波长从700纳米（可见红光）到900纳米（近红外）。通过同时独立地改变这些频率分量的振幅和相位，科学家们证明了他们的方法可以以可控的方式压缩、分裂和扭曲脉冲。

该装置的进一步改进将使科学家对光脉冲的时间演化有更多的控制，并可能使研究人员能够在频率梳中精确地形成单独的梳齿线，这是一种精确的工具，用于测量原子钟等装置中的光频率，以及识别遥远恒星周围的行星。

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