前沿 | Advanced Photonics | 腔内时空超表面：助力脉冲激光光源辟新天

Wenhe Jia, Chenxin Gao, Yongmin Zhao, Liu Li, Shun Wen, Shuai Wang, Chengying Bao, Chunping Jiang, Changxi Yang, Yuanmu Yang. Intracavity spatiotemporal metasurfaces[J]. Advanced Photonics, 2023, 5(2): 026002

光学超表面是由介质或金属纳米天线阵列组成的一类新兴衍射光学元件，能够以亚波长空间分辨率灵活操纵光场。若将超表面耦合到具有强光学非线性材料中，则可实现超快时空光场调制。近十年来，超表面已被成功应用于成像、全息术和生成复杂矢量光场模式等领域；光学超表面在亚波长空间分辨率上操纵入射光的振幅、相位或偏振方面的用途也极为广泛。

然而大多数光学超表面都是与外部光源一起工作的孤立光学元件。最近研究表明，在固态或光纤激光腔中加入超表面，可实现具有定制空间模式轮廓的相干光发射，如携带轨道角动量（OAM）的涡旋激光束。然而，尽管它们在操纵空间光场方面具有通用性，但大多数超表面仅具有时不变响应。虽然超表面增强了非线性光与物质的相互作用，但电介质和金属等大多数材料自身的非线性光学响应相对有限，导致了非线性超表面的调制深度小，泵浦通量要求高。

解决超表面有限非线性的方法之一是通过与具有极大光学非线性的介质进行近场耦合。近零介电常数（epsilon-near-zero, ENZ）材料是一种介电常数实部趋于零的新型材料，近年来引起了人们的广泛关注。ENZ响应存在于极性电介质、掺杂半导体、金属氮化物和导电金属氧化物等各种材料中。线性折射率趋近于零的ENZ材料具有较大的非线性折射率和较大的非线性吸收系数，其强大的光学非线性被用于二次谐波、三次谐波、高次谐波、太赫兹波的生成、全光开关和时间脉冲整形等。此外，等离子体超表面与ENZ材料制成的薄膜之间的强耦合可进一步增强和定制非线性光学响应；空间非均匀超表面与ENZ材料之间的协同作用也可灵活实现同步时空光控制。

近日，清华大学杨原牧副教授研究团队与清华大学杨昌喜教授、鲍成英助理教授团队和中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所蒋春萍研究员团队合作，通过实验证明了在光纤激光腔中使用与ENZ材料强耦合的单层超表面可实现同步时空激光模式控制。利用超表面的几何相位，可将激光的横向模式从高斯光束转换为携带OAM的涡旋光束，与此同时，ENZ材料的强大非线性可饱和吸收可产生脉冲激光。将时空超表面直接集成到激光腔中可为研制具有时空轮廓的微型激光源奠定技术基础，有望应用于超分辨率成像、高密度光存储和三维激光光刻等领域。相关研究成果以“Intracavity spatiotemporal metasurfaces”为题发表在Advanced Photonics 2023年第2期。

为了利用直接集成在光纤激光腔中的超表面实现横向激光模式的空间调制，研究人员建立了如图2(a)所示的光学装置。作者利用各向异性金属纳米天线的几何相位进行相位操纵，当圆偏振平面波入射到超表面上时，透射的相反旋向偏振光具有额外的2φ相位，而相同旋向偏振光的波前保持不受干扰。因此，通过巧妙地设计超表面的相位分布，相反旋向偏振光可转换为所需的空间模式。模式转换后的光束通过PBS耦合出激光腔，而高斯光束通过光纤准直器耦合回光纤进行进一步放大。可通过调整超表面的极化转换效率来设计输出耦合效率。

虽然该超表面的极化转换效率仅为0.37%，但是未发生极化转化的光会返回激光腔内被进一步受激放大。与之相反的是，大多数工作在激光腔外的超表面缺乏提高其模式转换效率的迭代机制。在实验中，研究人员借助超表面的空间调控能力，实现了激光器直接输出涡旋光束，并且通过将涡旋光束与高斯光束进行干涉的方法，进一步确认了其拓扑荷数与预期一致。

为了进一步利用超表面在激光腔内对光束进行时域整形，研究人员设计了与ENZ材料强耦合的超表面，并探究了其非线性可饱和吸收特性。为了避免偏振响应对光束的时域特性带来影响，研究人员将超表面谐振天线的形状调整为圆形。

研究人员首先通过磁控溅射的方法生长了ITO薄膜，并将其ENZ波长调节至1550 nm附近，随后设计纳米天线的谐振波长与该波长匹配，从而构造强耦合体系，线性透射谱中反十字交叉形的谐振模式证实了强耦合现象的发生。此外，研究人员对该结构内部的电场分布进行了仿真，发现ITO薄膜内电场强度明显增强，可以进一步提升系统的非线性响应。

为了评估该强耦合系统的可饱和吸收特性，研究人员测量了其透过率随入射光强的变化曲线，实验表明该强耦合体系的饱和功率远低于ITO薄膜。其可饱和吸收效应的微观本质是ITO薄膜导带内部电子在光泵浦下重新分布，导致ITO薄膜的折射率发生变化（ENZ波长红移），进而导致超表面的谐振波长发生红移。研究人员根据“热电子”模型进行了定量计算，计算结果与实验结果一致。

为了验证超表面在激光腔内对光场的时域调控能力，研究人员搭建了激光器实验系统。在未插入超表面的情况下，光纤激光器输出连续波激光；插入超表面后，激光器输出稳定的调Q脉冲序列，脉宽在10 μs左右，峰值波长为1566 nm。此外，研究人员还可以通过增加泵浦功率进一步缩小脉冲宽度以及提高重复频率。