1.提出了一种各向异性时间超器件，用于在太赫兹范围内实现光开关动态的超高可调性；
2.基于平面超光学的偏振相关开关动力学将在实时控制和操纵太赫兹辐射方面显著促进超快光子器件的发展；
3.为了使超快光束转向的重构功能化，引入了具有不同类型嵌入式光敏岛的辐射-辐射耦合谐振器，这些谐振器能够产生各向同性PIT谐振以及太赫兹偏振控制的时间调制；
4.通过实验证明，当太赫兹波改变其偏振通道时，激发态的恢复从准稳态(纳秒)过渡到超快(皮秒)时间尺度，从而为超光子器件中的全光开关动力学操作提供了独特的自由度；
5.基于嵌入式半导体的结晶性，本文提出的可调谐时间调制的功能不仅扩展了超材料调制器的研究，而且深刻地丰富了最先进的极化复用超原子。
微型光子器件的最新进展促进了用于光场多维操纵的超表面的发展。一个重要的例子是偏振复用元设备，由于其低串扰和巨大的偏振控制功能，在波前控制、全息和显示等众多应用中备受关注。然而，被动超表面的光学特性在制造后保持不变。在光学信息时代的推动下，由于精细的基础研究和多用途技术需求的驱动下，人们非常需要超表面的可调响应。
近日，国防科技大学Tian Jiang团队以题为“Anisotropic Temporal Metasurfaces for Tunable Ultrafast Photoactive Switching Dynamics”在《Laser & Photonics Reviews》上报道了一种新型超表面。通过将时间调制动态编码到偏振通道中，展示了一种用于光敏太赫兹切换的新型超表面平台。具有四重对称性的耦合等离子体共振器被用来展示各向同性等离子体诱导的透明模拟共振。与受限于单一开关速度的典型光学可调超材料不同，这种时间调制被多路复用为两组偏振分布。具体而言，在正交极化通道中，开关动态可以在恢复时间大于2ns的准稳态和恢复时间<25ps的超快瞬态之间交替。这种非凡的性能归因于嵌入单晶胞中的两个光敏岛之间结晶度的高对比度。解决了全光超器件中不变切换动力学的长期瓶颈，这为未来可切换超材料器件的设计提供了新的范例。
图1：区域分布选择性光活性层功能化各向异性时间超表面的原理图和表征。
(a)对超光子器件配置的艺术描述，其中太赫兹极化依赖的时间调制依赖于光载流子，在光活性层I(晶硅)和II(非晶态锗)产生三个量级的弛豫时间差。太赫兹波沿-x和-y方向的偏振可以被调制，具有不同的瞬态动力学。(b)单元内的亚原子设计，几何参数为：L=55μm，l1=49μm，l2=26μm，s=4μm，g=4μm，w=5μm，Px=112μm，Py=112μm。其中，金元原子、晶硅、非晶锗和蓝宝石衬底的厚度分别为200nm、500nm、200nm和500μm。(c)在蓝宝石衬底顶部制作的元器件的光学图像。
图2：x和y偏振太赫兹入射光激励相关的透明窗动态控制。
(a，b)在0μJ/cm2到50μJ/cm2的不同光泵浦影响下，选择低光泵浦功率级记录x偏振太赫兹入射的太赫兹传输和群延迟光谱色散。(c，d)在0~1400μJ/cm2泵浦影响下测量y偏振太赫兹入射的太赫兹传输和群延迟谱。
图3：光活性层的瞬态动力学和混合变光器件的偏振依赖性时间调制。
(a)测量500nm厚外延硅的太赫兹时域振幅随泵浦-探针延迟时间的微分透射率。在低泵注量水平下，研究了1ns的飞秒泵浦脉冲(@800nm，1.55eV)的弛豫动力学。(b)200nm厚的非晶锗在高泵注量激发下的瞬态弛豫动力学。(c)50uJ/cm2x偏振太赫兹入射时的PIT传输共振准稳态(＞2ns)时间调制。(d)在1400μJ/cm2的y偏振太赫兹入射下，PIT透射共振的超快瞬态(＜25ps)光学响应(图中显示了PIT透射共振的定义)。
图4：x偏振太赫兹入射超灵敏准稳态光活性太赫兹开关的时间动态。
(a，b)通过扫描光泵太赫兹探测延迟测量的传输和群延迟切换动力学的假彩色图。箭头表示演化过程的完全恢复时间＞2ns，表示一个相对缓慢的开关过程，可以视为准稳态。(c，d)分别从恢复期间不同时延对应图中提取的瞬态频域传输谱和群时延谱。泵注量为50μJ/cm2。
图5：y偏振太赫兹入射超快瞬态光敏太赫兹开关的时间动态。
(a，b)通过扫描光泵太赫兹探测延迟测量的传输和群延迟切换动力学的假彩色图。箭头显示整个开关周期时间为＜25 ps，表明比x偏振情况快两个数量级。(c-f)分别从(a)和(b)图中提取的对应的瞬态频域传输谱和群延迟谱。此处泵注量选择为1400 μJ/cm2。
图6：在透明窗峰值频率处提取的SRRs的间隙中产生的电场约束和抑制。
(a-d)通过逐渐增加硅层的电导率，获得与x偏振太赫兹入射相对应的单元内的电场分布。(e-h)通过逐渐增加硅层的电导率，获得与y偏振太赫兹入射相对应的单元内的电场分布。
文章信息：
Hu,Y., Hao, H., Zhang, J., Tong, M., Cheng, X., Jiang,T., Anisotropic Temporal Metasurfaces for Tunable Ultrafast Photoactive Switching Dynamics. Laser & Photonics Reviews 2021, 2100244.
https://doi.org/10.1002/lpor.202100244
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