导读
西湖大学仇旻实验室王纪永博士与法国勃艮第大学卡诺交叉学科实验室Benoit Cluzel博士、Philippe Grelu教授团队以及巴西联邦研究院（巴伊亚）电子技术系Davi Rego博士合作，利用等离激元超表面的非线性光学吸收、偏振传输等特性实现了光纤激光器的飞秒孤子锁模，相关研究工作于2020年3月31日在杂志《Light: Science & Applications》上发表了以” Saturable plasmonic metasurfacesfor laser mode locking” 为题目的研究论文。该研究为未来可调谐超快激光器和神经形态电路的实现提供了有效途径。
非线性等离激元学完美结合了传统的非线性光学理论和最前沿的纳米科技，近年来引起了科研工作者的广泛关注，但针对它的应用研究却鲜有报道。近日，来自中国、法国和巴西科学家把平面刻蚀后的等离激元超表面集成于光纤激光器中，定量研究了非线性饱和吸收特性随等离激元谐振变化的基本规律，利用非线性偏振传输特性实现了脉宽仅为729 fs、调制深度高达60%、信噪比为75 dB的稳定孤子锁模，并详细研究了孤子、孤子-分子的非线性动力学特性，为实现波长、脉宽、调制深度可定量调控的超快光纤激光器奠定理论和实验基础。
等离激元超表面是把亚波长尺寸的结构单元进行人工排布，从而产生自然界中不存在光学特性。在线性光学领域，它已广泛用于光学振幅或相位的调控，如波前整形、全息成像和偏振控制等。在非线性光学领域，可实现的应用却寥寥可数。将等离激元纳米颗粒作为可饱和吸收体产生超快激光脉冲已有报道，但纳米颗粒均采用化学方法制备，经旋涂或包覆集成于光纤中，均匀性较差、个体间排列方向和间距难以精确控制，导致同一偏振激发条件下个体等离激元模式各不相同，集体的共振吸收很难形成，大大降低了其线性和非线性光学吸收效率。
图1. 纳米棒（a, d）、“米”字（b, e）和圆环（c, f）三种等离激元超表面的扫描电镜图片（a~c）、随功率和偏振变化的光学吸收率（d~f）以及极限调制深度对比(g)。
合作团队使用电子束刻蚀的方法制备出尺寸、间距和方向能够精确控制的多种等离激元超表面，从而保证其等离激元模式得以定量调控，如图1（a~c）所示。他们系统研究了超表面的线性和非线性光学吸收随激光泵浦功率、偏振以及几何参数的变化规律，建立了偏振分辨的可饱和吸收与各超表面设计版图之间的定量对应关系，如图1（d~f）所示。他们惊奇地发现，当激发超表面的不同等离激元谐振模式时，非线性吸收的调制深度可定量调控，如图1（g）所示，当等离激元的偶极振荡模式被充分激发后，超表面的调制深度可高达60%。
图2. 使用等离激元超表面实现飞秒孤子锁模。（a）飞秒光纤激光器的组成示意图；（b）时域下的锁模脉冲序列；（c）自相关测量的脉冲宽度；（d）锁模脉冲的RF光谱。
为了验证等离激元超表面的可饱和吸收效率，他们将超表面作为可饱和吸收体与自由空间的整条光路一块集成于光纤激光器谐振腔中，如图2（a）所示，最终获取稳定、自启动的超快激光脉冲。单孤子脉冲的典型脉宽为729飞秒，信噪比高达75 dB，如图2（b~d）所示。
该研究不仅验证了金属纳米材料具有可饱和吸收以及更广泛的非线性光学吸收特性，更为非线性等离激元学提供了一套现实可行、具有广阔市场前景的应用方案。
王纪永博士于2017年获得德国图宾根大学、法国国家研究院-特鲁瓦科技大学双博士学位，并于2018年加入西湖大学仇旻讲席教授科研团队，从事微纳光子学、非线性光子学与超快光子学等交叉学科的研究。
Dr. Benoit Cluzel，法国勃艮第大学卡诺交叉学科实验室Maître de Conférence，主要从事微纳光子学与近场光学相关的研究。
Prof. Philippe Grelu，法国勃艮第大学卡诺交叉学科实验室光子学教授，主要从事光纤非线性动力学相关研究工作。
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