導讀：西湖大學和國際學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控，為未來可調諧超短脈沖激光器和神經形態(tài)電路的實現提供了有效途徑。這一最新成果發(fā)表在國際著名學術期刊“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亞穩(wěn)表面示意圖

圖解：等離子體光學納米線的快速光吸收會導致激光腔模的耦合，從而形成脈沖

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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，單個納米棒的長度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驗數據偽彩圖。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-波分復用器， EDF-摻鉺光纖， ISO-隔離器， PC-偏振控制器， C1,2-準直鏡， O1,2-鏡頭。(e) 示波器中檢測到的超快激光脈沖（上圖時間段10 ms，下圖時間段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單元細胞在亞波長陣列上的重復排列，從而引起在本質上并不存在的預期的光波特性。在線型區(qū)間，關于用于透鏡、全息或偏振的波前調制的研究是十分廣泛的。然而，在非線性區(qū)間的應用則很少有報道?？紤]到在可飽和吸收器上的應用越來越多，這是一種特殊的取決于光強度所造成透射或吸收的用于超快激光、神經形態(tài)回路的非線性器件，來自法國、中國和巴西的科學家們發(fā)展了一種表面等離子體光學亞穩(wěn)表面技術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)的調制。

圖3

(a) 金納米棒超表面的掃描電鏡圖片。納米棒長軸間距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，單個納米棒的長度L為445 nm，寬度W為120 nm。（b）用于測量消光光譜 NR排列的光學實驗裝置示意圖，此處的SCLS為超連續(xù)光源（supercontinuum light source），C1和C2為準直鏡，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。粉紅色和藍色的虛線分別表示照明和成像光路。（c,d）規(guī)范化實驗和模擬NR排列在L為不同值時的消光光譜。

來自中國西湖大學的紀永博士、法國勃艮第大學卡諾交叉學科實驗室、巴西聯邦研究院（巴伊亞）等單位合作進行了平面納米技術用于制造用于精密控制尺寸、間隙和方向的2D表面等離子體光學亞穩(wěn)表面，這樣就可以實現等離子體模式的精確控制，這在以前其化學合成部件是不能手動合成處理的。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現量化。更為有趣的是，研究人員將飽和非穩(wěn)態(tài)在光纖激光腔結構中得以實現并獲得了穩(wěn)定的自啟動超快激光脈沖的產生。為未來可調諧超短脈沖激光器和神經形態(tài)電路的實現提供了有效途徑。

圖4

圖解：NR排列（a，d）的SEM照片（a-c）和勵磁能量以及偏振相關非線性傳輸（d-f），納米交叉排列（b，e）和納米納米環(huán)排列（c，f）。SEM照片中的標尺為200nm，（g）NR（紅色）、納米交叉（綠色）和納米環(huán)（藍色））之間調制深度的比較，兩個柱狀線表示兩種極端條件下的結果，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生超快激光脈沖。很顯然，他們測量的可飽和吸收器如表面等離子體光學亞穩(wěn)表面高達60%的調制深度。如此高的調制深度并不尋常，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道的最大調制深度不超過11%，并且在相似的研究中對膠體金納米棒的調制深度的報道，只有5%左右。一個典型的半導體可飽和吸收鏡（SESAM (semiconductor saturable absorber mirror) ）可以進行調整的深度能夠超過30%，但確實在一個相對比較厚的器件中獲得的。

該項目的關鍵點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系，這個可能只能通過平面納米技術來制造表面等離子體光學亞穩(wěn)表面來實現，如電子束蝕刻技術，而不是簡單的采用旋轉涂覆納米微球的辦法在光纖或將光纖浸入納米粒子溶液中的辦法。

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

研究團隊不僅驗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吸收特性，這是半導體材料中的一個非常有名的現象。更為重要的是，這一結果顯示了非線性等離激元學提供了一套現實可行、具有廣闊市場前景其非常值得關注的應用方案?！?/p>

論文研究人員簡介

王紀永，2017年獲得德國圖賓根大學、法國國家研究院-特魯瓦科技大學雙博士學位，2018年加入西湖大學仇旻講席教授科研團隊，從事微納光子學、非線性光子學與超快光子學等交叉學科的研究。

Dr. Aurelien Coillet，法國勃艮第大學卡諾交叉學科實驗室Matre de Conférence，主要從光波導非線性、光纖非線性動力學相關的研究。

Dr. Benoit Cluzel，法國勃艮第大學卡諾交叉學科實驗室Matre de Conférence，主要從事微納光子學與近場光學相關的研究。

Prof. Philippe Grelu，法國勃艮第大學卡諾交叉學科實驗室光子學教授，主要從事光纖非線性動力學相關研究工作。

參考文獻：

• 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