中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
導(dǎo)讀
2024年2月21日，南方科技大學(xué)工學(xué)院材料科學(xué)與工程系、精密光學(xué)工程中心李貴新教授課題組在超構(gòu)表面全光超快開關(guān)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。作者基于雙光束泵浦的幾何相位超構(gòu)表面上的倍頻過程，實(shí)現(xiàn)了一種調(diào)制深度達(dá)97%和響應(yīng)時(shí)間約為500飛秒的全光偏振開關(guān)。相關(guān)成果以“All-optical ultrafast polarization switching with nonlinear plasmonic metasurfaces”為題發(fā)表在Science Advances雜志上。
研究背景
光開關(guān)在光計(jì)算、光通信等以光為信息載體的系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。開關(guān)時(shí)間和調(diào)制深度是光開關(guān)的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。前者決定工作頻率的上限，后者決定信噪比。開發(fā)具有超短響應(yīng)時(shí)間和大調(diào)制深度的全光開關(guān)是人們長期以來的目標(biāo)。傳統(tǒng)光開關(guān)的物理機(jī)制包括電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、磁光效應(yīng)等。然而，這些開關(guān)通常存在開關(guān)速度低的問題。為了克服這一限制，基于非線性光學(xué)過程的全光開關(guān)引起了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注?？藸栃?yīng)是全光開關(guān)最重要的機(jī)制之一，其描述了材料的折射率取決于泵浦光的強(qiáng)度的一種現(xiàn)象。目前，基于克爾效應(yīng)的片上干涉儀、波導(dǎo)環(huán)形諧振腔、光子晶體、等離激元波導(dǎo)和超構(gòu)表面被廣泛用于設(shè)計(jì)多種全光開關(guān)。在這些研究中，通常需要權(quán)衡全光開關(guān)的響應(yīng)時(shí)間和調(diào)制深度。大調(diào)制深度的全光開關(guān)通常需要較長的光與物質(zhì)相互作用長度，這將不可避免地增加開關(guān)時(shí)間。另一方面，如果全光開關(guān)的開關(guān)時(shí)間較短，則調(diào)制深度通常也較小。非線性倍頻過程為兼顧開關(guān)時(shí)間和調(diào)制深度的全光開關(guān)提供了一個(gè)出色的解決方案。此前人們?cè)诓煌牧象w系中提出了熱電子遷移、光電流誘導(dǎo)對(duì)稱性破缺、偏振選擇性開關(guān)等機(jī)理和方法，為實(shí)現(xiàn)基于倍頻過程的光開關(guān)奠定了重要基礎(chǔ)。這類全光開關(guān)的調(diào)制深度通常較大，開關(guān)時(shí)間也僅受到泵浦脈沖寬度的限制。近年來，超構(gòu)表面的非線性光學(xué)性質(zhì)研究不斷取得進(jìn)展，為實(shí)現(xiàn)高性能的全光開關(guān)提供了新的思路。
研究亮點(diǎn)
作者基于雙光束泵浦的幾何相位超構(gòu)表面上的倍頻過程，實(shí)現(xiàn)了一種調(diào)制深度達(dá)97%和響應(yīng)時(shí)間約為500飛秒的全光偏振開關(guān)。如圖1所示，超構(gòu)表面由三重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性(C3)的金等離激元超構(gòu)單元組成。當(dāng)兩個(gè)泵浦脈沖之間的時(shí)間延遲大于脈沖持續(xù)時(shí)間時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生水平偏振倍頻光。然而，當(dāng)兩個(gè)泵浦脈沖在時(shí)域重合時(shí)，可以觀察到豎直偏振倍頻光。因此，該等離激元超構(gòu)表面具有應(yīng)用于全光超快偏振開關(guān)的潛力。
圖1 基于非線性等離激元超構(gòu)表面的倍頻光偏振開關(guān)。 (a) C3h金超構(gòu)單元的幾何參數(shù)。(b) 水平和豎直偏振泵浦光的不同組合及其對(duì)應(yīng)的倍頻光的偏振方向。(c) 基于超構(gòu)表面上倍頻光產(chǎn)生的全光偏振開關(guān)原理圖。當(dāng)兩個(gè)泵浦脈沖的時(shí)間延遲較大時(shí)分別產(chǎn)生水平偏振倍頻光；而當(dāng)它們?cè)跁r(shí)域重合時(shí)，則瞬間產(chǎn)生豎直偏振倍頻光。
該超快開關(guān)的物理機(jī)制為：具有C3旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的金超構(gòu)單元的等效非線性極化率存在四個(gè)不為零的分量：
。當(dāng)水平和豎直偏振的泵浦飛秒激光分別入射到超構(gòu)單元上時(shí)，根據(jù)非線性極化率的xxx和xyy分量可知所產(chǎn)生的倍頻光的偏振均沿水平(x)方向。然而，當(dāng)水平和豎直偏振的兩束飛秒激光同時(shí)激發(fā)超構(gòu)表面時(shí)，不為零的分量為：yxy和yyx，所產(chǎn)生的倍頻光變?yōu)樨Q直(y)偏振。這一過程通常在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生(通常受制于激光脈沖寬度本身)。
圖2 基于周期性等離激元超構(gòu)表面的全光超快偏振開關(guān)。(a) 計(jì)算所得倍頻光強(qiáng)度與雙泵浦光束的延遲時(shí)間之間的關(guān)系；(b)全光超快開關(guān)的飛秒激光泵浦-探測裝置；(c) 實(shí)驗(yàn)測量的離激元超構(gòu)表面中生成的延時(shí)依賴的豎直偏振的倍頻光強(qiáng)度。該結(jié)果可用半高寬為521飛秒的高斯函數(shù)（實(shí)線）擬合。
假設(shè)泵浦光的線偏振沿x軸方向，超構(gòu)單元的面內(nèi)旋轉(zhuǎn)角為，根據(jù)非線性光學(xué)幾何相位原理，左、右旋圓偏振倍頻光的相位為。超構(gòu)單元上生成的倍頻光的偏振角與x軸夾角為。對(duì)于周期性排列的等離激元超構(gòu)表面，理論計(jì)算所得的倍頻光強(qiáng)度隨偏振方向垂直的兩束泵浦光的時(shí)間延遲的變化規(guī)律 (圖2a)。如圖2b所示，針對(duì)近紅外波段(1150 nm-1550 nm) 的飛秒激光，搭建了表征全光超快開關(guān)的泵浦-探測裝置。通過控制兩束飛秒激光的偏振和脈沖延遲時(shí)間可以測量等離激元超構(gòu)表面上產(chǎn)生的倍頻光的偏振、調(diào)制深度、開關(guān)時(shí)間等特性。圖2c為實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果，通過掃描延遲時(shí)間可測得倍頻光的開關(guān)時(shí)間為521飛秒，調(diào)制深度為97%。
圖3 基于雙通道等離激元超構(gòu)表面的全光超快偏振開關(guān)。(a) 具有“τ”圖案的雙通道非線性等離激元超構(gòu)表面示意圖。在“τ”（紅色）區(qū)域，超構(gòu)單元是C3v，周圍區(qū)域是C3h。超構(gòu)表面的掃描電子顯微鏡圖像如下所示(比例尺：500 nm)，其中橙色虛線標(biāo)記了兩種超構(gòu)單元之間的邊界。(b) 水平和豎直偏振的兩個(gè)泵浦脈沖在不同時(shí)間延遲時(shí)，超構(gòu)表面上倍頻光的圖像呈現(xiàn)亮、暗兩種編碼方式。
為了進(jìn)一步展示該全光超快開關(guān)的并行信息處理能力，我們?cè)O(shè)計(jì)并制備了由包含不同旋轉(zhuǎn)角的金超構(gòu)單元組成的圖案化超構(gòu)表面。如圖3所示，字母和周邊環(huán)境的倍頻光的圖像強(qiáng)度取決于兩束泵浦光的延遲時(shí)間和檢偏器的方向，從而實(shí)現(xiàn)了雙通道全光開關(guān)功能。
總結(jié)與展望
該研究提出的非線性等離激元超構(gòu)表面提供了一種易于擴(kuò)展的平臺(tái)，可用于設(shè)計(jì)多路并行的全光開關(guān)，有望為非線性光學(xué)超構(gòu)表面在超快光信息處理領(lǐng)域的應(yīng)用奠定重要基礎(chǔ)。該工作所提出的方法可用于在時(shí)域中控制光的矢量場、自旋-軌道角動(dòng)量等自由度，還可以用于開發(fā)全光邏輯門、時(shí)變?nèi)⒐鈱W(xué)成像功能。
南科大材料科學(xué)與工程系研究助理教授王衡、博士生胡子賢為該論文的并列第一作者，李貴新教授為該論文的通訊作者。南科大材料系高級(jí)研究學(xué)者李敬輝、量子科學(xué)與工程研究院研究助理教授鄧俊鴻、南科大材料系博士生張學(xué)才和陳佳菲為論文共同作者。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、張江國家實(shí)驗(yàn)室、國家自然科學(xué)基金委員會(huì)、廣東省珠江人才計(jì)劃創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目和深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)的資助。
文章鏈接：
https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/sciadv.adk3882
