浅析超构表面用于激光光纤腔内时空调控

超构表面（Metasurfaces）在调控光的振幅、相位或偏振方面具有很高的通用性。过去十年来，从成像、全息到复杂光场图案的生成，超构表面正在广泛的领域探索应用机遇。不过，目前开发的大多数光学超构表面都是独立的光学元件，需要使用外部光源一起工作。

利用强耦合介电常数近零材料的超构表面进行腔内时空调控

尽管超构表面在空间光场调控方面具有多功能性，但它们大多数只有固定的、时不变响应，并且控制光场时间形状的能力有限。为了克服这些限制，研究人员正在研究利用非线性超构表面进行时空光场调控的方法。然而，大多数用于构建超构表面的材料本身仅具有相对有限的非线性光学响应。

近场耦合具有极高非线性光学响应的介质是解决上述问题的方案之一。介电常数近零材料（ENZ）是一类新兴的介电常数几乎为零的材料，近年来备受关注。例如，氧化铟锡（ITO）是一种导电金属氧化物，广泛用作太阳能电池和消费电子产品中的透明电极，在近红外区域通常具有超过零的介电常数。介电常数近零材料的线性折射率接近零，具有极高的非线性折射率和非线性吸收系数。

据麦姆斯咨询报道，清华大学和中国科学院的研究人员近期在Advanced Photonics期刊发表了一篇题为“Intracavity spatiotemporal metasurfaces”的论文，通过在光纤激光腔中将介电常数近零材料直接耦合超构表面，产生了具有定制时空轮廓的激光脉冲。

研究人员利用由空间不均匀各向异性金属纳米天线制成的超构表面的几何相位来调整输出激光束的横模。介电常数近零材料耦合系统的巨大非线性可饱和吸收，可以通过Q-switching过程产生脉冲激光。为了提供原型验证，研究人员构建了一种具有不同拓扑电荷的微秒脉冲涡旋激光器。

腔内时空调控

这项研究工作为以紧凑的尺寸构建具有定制时空模式轮廓的激光器提供了一条新途径。为了进一步实现系统小型化，可以将超构表面集成在光纤端面上。该论文通讯作者、清华大学精密测试技术与仪器国家重点实验室杨原牧副教授表示：“我们希望这项研究可以进一步探索用于空间光场调控的超构表面多功能性，其巨大且可定制的非线性可用于产生任意时空轮廓的激光束。这种创新方法有望为下一代微型脉冲激光源铺平道路，可用于光捕获、高密度光存储、超分辨率成像以及3D激光光刻等多种应用。”

审核编辑：刘清