導(dǎo)讀：西湖大學(xué)和國(guó)際學(xué)者合作使用電子束刻蝕的方法制備出尺寸、間距和方向能夠精確控制的多種等離激元超表面，從而保證其等離激元模式得以定量調(diào)控，為未來可調(diào)諧超短脈沖激光器和神經(jīng)形態(tài)電路的實(shí)現(xiàn)提供了有效途徑。這一最新成果發(fā)表在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊“Light: Science & Applications”上，題目為：Saturable plasmonic metasurfaces for laser mode locking。

圖1 用于超快激光器中的飽和吸收體的周期排列的納米金線等離子體光學(xué)亞穩(wěn)表面示意圖

圖解：等離子體光學(xué)納米線的快速光吸收會(huì)導(dǎo)致激光腔模的耦合，從而形成脈沖

。

圖2金納米棒超表面為例用于孤子鎖模

(a) 金納米棒超表面的掃描電鏡圖片。納米棒長(zhǎng)軸間距Gy 為50 nm，短軸間距Gx 為200 nm，水平比列尺代表200 nm。插圖中比列尺代表100 nm，單個(gè)納米棒的長(zhǎng)度L為445 nm，寬度W為120 nm。(b) 金納米棒超表面的光透過率隨入射激光功率和偏振態(tài)的變化規(guī)律。(c) 金納米棒超表面非線性透過率隨激發(fā)光功率和偏振變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偽彩圖。其中，徑向表示激光功率，軸向表示偏振方向，顏色表示光透過率。(d) 金納米棒超表面作為可飽和吸收體的超快光纖激光器。LD-激光二極管, WDM-波分復(fù)用器， EDF-摻鉺光纖， ISO-隔離器， PC-偏振控制器， C1,2-準(zhǔn)直鏡， O1,2-鏡頭。(e) 示波器中檢測(cè)到的超快激光脈沖（上圖時(shí)間段10 ms，下圖時(shí)間段300 ns）。

用于激光鎖模的可飽和等離激元超表面

表面等離子體光學(xué)亞穩(wěn)表面是一種人工制造的2D板材狀的表面等離子體光學(xué)單元細(xì)胞在亞波長(zhǎng)陣列上的重復(fù)排列，從而引起在本質(zhì)上并不存在的預(yù)期的光波特性。在線型區(qū)間，關(guān)于用于透鏡、全息或偏振的波前調(diào)制的研究是十分廣泛的。然而，在非線性區(qū)間的應(yīng)用則很少有報(bào)道。考慮到在可飽和吸收器上的應(yīng)用越來越多，這是一種特殊的取決于光強(qiáng)度所造成透射或吸收的用于超快激光、神經(jīng)形態(tài)回路的非線性器件，來自法國(guó)、中國(guó)和巴西的科學(xué)家們發(fā)展了一種表面等離子體光學(xué)亞穩(wěn)表面技術(shù)提供了顯著有效的可飽和吸收，從而可以用于光的偏振態(tài)的調(diào)制。

圖3

(a) 金納米棒超表面的掃描電鏡圖片。納米棒長(zhǎng)軸間距Gy 為50 nm，短軸間距Gx 為200 nm，水平比列尺代表200 nm。插圖中比列尺代表100 nm，單個(gè)納米棒的長(zhǎng)度L為445 nm，寬度W為120 nm。（b）用于測(cè)量消光光譜 NR排列的光學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，此處的SCLS為超連續(xù)光源（supercontinuum light source），C1和C2為準(zhǔn)直鏡，LED為發(fā)光二極管，L1, L2, L3 為透鏡，BS1 和 BS2為分束器， O1和 O2為顯微物鏡。粉紅色和藍(lán)色的虛線分別表示照明和成像光路。（c,d）規(guī)范化實(shí)驗(yàn)和模擬NR排列在L為不同值時(shí)的消光光譜。

來自中國(guó)西湖大學(xué)的紀(jì)永博士、法國(guó)勃艮第大學(xué)卡諾交叉學(xué)科實(shí)驗(yàn)室、巴西聯(lián)邦研究院（巴伊亞）等單位合作進(jìn)行了平面納米技術(shù)用于制造用于精密控制尺寸、間隙和方向的2D表面等離子體光學(xué)亞穩(wěn)表面，這樣就可以實(shí)現(xiàn)等離子體模式的精確控制，這在以前其化學(xué)合成部件是不能手動(dòng)合成處理的。這一最新成果發(fā)表在期刊《 Light: Science & Applications》上以題為：用于激光鎖模的可飽和等離激元超表面（Saturable plasmonic metasurfaces for laser mode locking）進(jìn)行了發(fā)表。于是，極化飽和吸收和非穩(wěn)態(tài)表面的等離子體景觀之間的連接可以實(shí)現(xiàn)量化。更為有趣的是，研究人員將飽和非穩(wěn)態(tài)在光纖激光腔結(jié)構(gòu)中得以實(shí)現(xiàn)并獲得了穩(wěn)定的自啟動(dòng)超快激光脈沖的產(chǎn)生。為未來可調(diào)諧超短脈沖激光器和神經(jīng)形態(tài)電路的實(shí)現(xiàn)提供了有效途徑。

圖4

圖解：NR排列（a，d）的SEM照片（a-c）和勵(lì)磁能量以及偏振相關(guān)非線性傳輸（d-f），納米交叉排列（b，e）和納米納米環(huán)排列（c，f）。SEM照片中的標(biāo)尺為200nm，（g）NR（紅色）、納米交叉（綠色）和納米環(huán)（藍(lán)色））之間調(diào)制深度的比較，兩個(gè)柱狀線表示兩種極端條件下的結(jié)果，即最大（左邊）和最小的值。

研究人員研究了不同等離子景象如納米線、納米交叉和納米環(huán)等可飽和吸收器來產(chǎn)生超快激光脈沖。很顯然，他們測(cè)量的可飽和吸收器如表面等離子體光學(xué)亞穩(wěn)表面高達(dá)60%的調(diào)制深度。如此高的調(diào)制深度并不尋常，尤其是為了薄的亞穩(wěn)態(tài)表面如：2D可飽和吸收器相互之間的比較表明公開報(bào)道的最大調(diào)制深度不超過11%，并且在相似的研究中對(duì)膠體金納米棒的調(diào)制深度的報(bào)道，只有5%左右。一個(gè)典型的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡（SESAM (semiconductor saturable absorber mirror) ）可以進(jìn)行調(diào)整的深度能夠超過30%，但確實(shí)在一個(gè)相對(duì)比較厚的器件中獲得的。

該項(xiàng)目的關(guān)鍵點(diǎn)就在于找到量化非線性吸收和特定等離子體模型之間的關(guān)系，這個(gè)可能只能通過平面納米技術(shù)來制造表面等離子體光學(xué)亞穩(wěn)表面來實(shí)現(xiàn)，如電子束蝕刻技術(shù)，而不是簡(jiǎn)單的采用旋轉(zhuǎn)涂覆納米微球的辦法在光纖或?qū)⒐饫w浸入納米粒子溶液中的辦法。

通過融合表面等離子體光學(xué)亞穩(wěn)表面和光纖激光器結(jié)構(gòu)自由空間截面，研究人員最終實(shí)現(xiàn)了鎖模激光操作的穩(wěn)定的自啟動(dòng)。典型的單孤子脈沖的持續(xù)時(shí)間為729 fs，其信噪比可以達(dá)到75dB，這一噪音在射頻域范圍內(nèi)。

研究團(tuán)隊(duì)不僅驗(yàn)證了金屬納米材料材料具有可飽和吸收以及更廣泛的非線性光學(xué)吸收特性，這是半導(dǎo)體材料中的一個(gè)非常有名的現(xiàn)象。更為重要的是，這一結(jié)果顯示了非線性等離激元學(xué)提供了一套現(xiàn)實(shí)可行、具有廣闊市場(chǎng)前景其非常值得關(guān)注的應(yīng)用方案?！?/p>

論文研究人員簡(jiǎn)介

王紀(jì)永，2017年獲得德國(guó)圖賓根大學(xué)、法國(guó)國(guó)家研究院-特魯瓦科技大學(xué)雙博士學(xué)位，2018年加入西湖大學(xué)仇旻講席教授科研團(tuán)隊(duì)，從事微納光子學(xué)、非線性光子學(xué)與超快光子學(xué)等交叉學(xué)科的研究。

Dr. Aurelien Coillet，法國(guó)勃艮第大學(xué)卡諾交叉學(xué)科實(shí)驗(yàn)室Matre de Conférence，主要從光波導(dǎo)非線性、光纖非線性動(dòng)力學(xué)相關(guān)的研究。

Dr. Benoit Cluzel，法國(guó)勃艮第大學(xué)卡諾交叉學(xué)科實(shí)驗(yàn)室Matre de Conférence，主要從事微納光子學(xué)與近場(chǎng)光學(xué)相關(guān)的研究。

Prof. Philippe Grelu，法國(guó)勃艮第大學(xué)卡諾交叉學(xué)科實(shí)驗(yàn)室光子學(xué)教授，主要從事光纖非線性動(dòng)力學(xué)相關(guān)研究工作。

參考文獻(xiàn)：

• 1.Basudeb Sain & Thomas Zentgraf ，Published: 23 April 2020，metasurfaces help lasers to mode-lock，Light: Science & Applications volume 9, Article number: 67 (2020)。

文章來源：

Wang, J., Coillet, A., Demichel, O. et al. Saturable plasmonic metasurfaces for laser mode locking. Light Sci Appl 9, 50 (2020). https://doi.org/10.1038/s41377-020-0291-2