淺析超構(gòu)表面用于激光光纖腔內(nèi)時(shí)空調(diào)控

超構(gòu)表面（Metasurfaces）在調(diào)控光的振幅、相位或偏振方面具有很高的通用性。過去十年來，從成像、全息到復(fù)雜光場(chǎng)圖案的生成，超構(gòu)表面正在廣泛的領(lǐng)域探索應(yīng)用機(jī)遇。不過，目前開發(fā)的大多數(shù)光學(xué)超構(gòu)表面都是獨(dú)立的光學(xué)元件，需要使用外部光源一起工作。

利用強(qiáng)耦合介電常數(shù)近零材料的超構(gòu)表面進(jìn)行腔內(nèi)時(shí)空調(diào)控

盡管超構(gòu)表面在空間光場(chǎng)調(diào)控方面具有多功能性，但它們大多數(shù)只有固定的、時(shí)不變響應(yīng)，并且控制光場(chǎng)時(shí)間形狀的能力有限。為了克服這些限制，研究人員正在研究利用非線性超構(gòu)表面進(jìn)行時(shí)空光場(chǎng)調(diào)控的方法。然而，大多數(shù)用于構(gòu)建超構(gòu)表面的材料本身僅具有相對(duì)有限的非線性光學(xué)響應(yīng)。

近場(chǎng)耦合具有極高非線性光學(xué)響應(yīng)的介質(zhì)是解決上述問題的方案之一。介電常數(shù)近零材料（ENZ）是一類新興的介電常數(shù)幾乎為零的材料，近年來備受關(guān)注。例如，氧化銦錫（ITO）是一種導(dǎo)電金屬氧化物，廣泛用作太陽能電池和消費(fèi)電子產(chǎn)品中的透明電極，在近紅外區(qū)域通常具有超過零的介電常數(shù)。介電常數(shù)近零材料的線性折射率接近零，具有極高的非線性折射率和非線性吸收系數(shù)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，清華大學(xué)和中國科學(xué)院的研究人員近期在Advanced Photonics期刊發(fā)表了一篇題為“Intracavity spatiotemporal metasurfaces”的論文，通過在光纖激光腔中將介電常數(shù)近零材料直接耦合超構(gòu)表面，產(chǎn)生了具有定制時(shí)空輪廓的激光脈沖。

研究人員利用由空間不均勻各向異性金屬納米天線制成的超構(gòu)表面的幾何相位來調(diào)整輸出激光束的橫模。介電常數(shù)近零材料耦合系統(tǒng)的巨大非線性可飽和吸收，可以通過Q-switching過程產(chǎn)生脈沖激光。為了提供原型驗(yàn)證，研究人員構(gòu)建了一種具有不同拓?fù)潆姾傻奈⒚朊}沖渦旋激光器。

腔內(nèi)時(shí)空調(diào)控

這項(xiàng)研究工作為以緊湊的尺寸構(gòu)建具有定制時(shí)空模式輪廓的激光器提供了一條新途徑。為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化，可以將超構(gòu)表面集成在光纖端面上。該論文通訊作者、清華大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)與儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室楊原牧副教授表示：“我們希望這項(xiàng)研究可以進(jìn)一步探索用于空間光場(chǎng)調(diào)控的超構(gòu)表面多功能性，其巨大且可定制的非線性可用于產(chǎn)生任意時(shí)空輪廓的激光束。這種創(chuàng)新方法有望為下一代微型脈沖激光源鋪平道路，可用于光捕獲、高密度光存儲(chǔ)、超分辨率成像以及3D激光光刻等多種應(yīng)用。”

審核編輯：劉清