Metasurface进入激光光纤腔的时空模式控制

使用与epsilon-near-zero材料强耦合的元表面进行腔内时空调制。资料来源：高级光子学（2023）。doi: 10.1117/1.ap.5.2.026002

Metasurface：光学超表面技术

元表面对于操纵光的振幅、相位或偏振具有高度的通用性。在过去的十年中，元表面已被提出用于广泛的应用--从成像和全息到产生复杂的光场模式。然而，迄今为止开发的大多数光学元表面都是孤立的光学元件，只与外部光源一起工作。

尽管它们在空间上可以操纵光场，但大多数元表面只有一个固定的、时间不变的反应，而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使用非线性元表面进行时空光场调制。然而，大多数用于构建元表面的材料本身的非线性光学响应相对有限。

解决元表面材料有限的非线性的一个办法是近场耦合到一个具有极大的光学非线性的介质。Epsilon-near-zero (ENZ)材料是一类新兴的具有消失的介电常数的材料，近年来引起了广泛的关注。例如，铟锡氧化物（ITO），一种导电的金属氧化物，广泛用于太阳能电池和消费电子产品的透明电极，通常在近红外系统中具有超过零的允差。

一种ENZ材料，其线性折射率接近于零，被赋予了极大的非线性折射率和非线性吸收系数。

正如《先进光子学》杂志所报道的那样，来自清华大学和中国科学院的研究人员最近通过直接在光纤激光器腔中加入一个耦合到元表面的ENZ材料，产生了具有定制时空轮廓的激光脉冲。

研究人员利用由空间不均匀的各向异性金属纳米天线组成的元表面的几何相位来定制输出激光束的横向模式。ENZ耦合系统的巨大非线性饱和吸收允许通过Q-开关过程产生脉冲激光。为了提供一个原型，研究人员实现了一个具有不同拓扑电荷的微秒级脉冲涡旋激光器。

这项工作提供了一条新的途径，以紧凑的形式构建一个具有定制时空模式轮廓的激光器。为了进一步实现系统的小型化，元表面可以集成在光纤端面上。

在光纤激光器腔内使用几何相位元表面与ENZ材料强耦合的时空光调制：（a）腔内时空调制的示意图。(b) 具有拓扑电荷l=2的Q开关涡旋光束的横向模式剖面。(c) 脉冲高斯光束和脉冲涡旋光束之间的干涉模式。(d) 涡旋光束的Q开关脉冲轨迹。(e) 脉冲涡流光束的光学光谱。资料来源：高级光子学（2023）。doi: 10.1117/1.ap.5.2.026002

据通讯作者、清华大学精密测量技术与仪器国家重点实验室教授杨元武说："我们希望我们的工作可以进一步探索元表面在空间光场操纵方面的多功能性，其巨大和可定制的非线性可以产生具有任意空间和时间轮廓的激光束"。

杨指出，这种创新方法可能为下一代小型化脉冲激光源铺平道路，它可用于各种应用，如光捕获、高密度光存储、超分辨率成像和三维激光光刻技术。

更多信息：Wenhe Jia et al, Intracavity spatiotemporal metasurfaces, Advanced Photonics（2023）。doi: 10.1117/1.ap.5.2.026002

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