研究人员利用超表面实现了超快光脉冲整形

想象一下能够以任何可以想象的方式形成光脉冲——压缩它、拉伸它、将它一分为二、改变它的光强或改变它的电场方向。

控制超快光脉冲的特性对于通过高速光电路发送信息和探测每秒振动数千万亿次的原子和分子是至关重要的。但是，标准的脉冲整形方法，使用被称为空间光调制器的设备成本高、体积大，缺乏科学家日益需要的精细控制。此外，这些装置通常是基于液晶的，这些液晶可以被设计成形状的高强度激光脉冲损坏。

现在，美国国家标准与技术研究所（NIST）和马里兰大学帕克分校纳米中心的研究人员已经开发出一种新颖而紧凑的光雕刻方法。他们首先在玻璃上沉积了一层超薄硅，厚度只有几百纳米（十亿分之一米），然后用一种保护材料覆盖了数百万个小方块硅阵列。通过蚀刻每一个方块周围的硅元素，该团队创造了数以百万计的微小柱子，这在光雕刻技术中起到了关键作用。

示意图显示了一种重塑超快光脉冲特性的新技术。一个入射光脉冲（左）被分散到它的各种组成频率或颜色中，并被引导到由数百万个微小硅柱和一个集成偏振器组成的超表面。纳米柱被专门设计成同时且独立地将每个频率分量的特性塑造成振幅、相位或极化。然后将传输的光束重新组合，以获得一个新形状的脉冲（右）。

这种扁平、超薄的器件是超表面的一个例子，它被用来改变光波通过超表面时的特性。通过精心设计纳米柱的形状、尺寸、密度和分布，现在可以同时独立地以纳米级精度调整每个光脉冲的多种特性。这些特性包括波的振幅、相位和偏振。

光波是一组相互垂直的振荡电场和磁场，其波峰和波谷与海浪相似。如果你站在海洋中，波的频率是波峰或波谷经过你的频率，振幅是波的高度（波谷到波峰），相位是你相对于波峰和波谷的位置。

“我们发现了如何独立和同时操纵超快激光脉冲每个频率分量的相位和振幅，”NIST和纳米中心的Amit Agrawal说。为了实现这一点，我们使用了精心设计的一组硅纳米柱，每种硅纳米柱对应脉冲中的每种组分颜色，并在器件背面制作了一个集成偏振器。”

当光波穿过一组硅纳米柱时，它的速度比空气中的速度慢，相位也会延迟——光波到达下一个峰值的时刻比光波在空气中到达下一个峰值的时间稍晚。纳米柱的大小决定了相位的变化量，而纳米柱的方向改变了光波的偏振。当一个被称为偏振器的设备连接到硅的背面时，偏振的变化可以转化为相应的振幅变化。

以高度可控的方式改变光波的相位、振幅或偏振可以用来编码信息。快速、微调的变化也可以用来研究和改变化学或生物过程的结果。例如，入射光脉冲的改变可以增加或减少化学反应的产物。通过这些方法，纳米柱方法有望为超快现象和高速通信的研究开辟新的前景。

（图片来源：T. Xu/南京大学）