NIST纳米柱精确地塑造了实际应用中的光。

想象一下,能够以任何可以想象的方式形成光脉冲,压缩、拉伸、分裂、改变强度或改变电场方向。

控制超快光脉冲的特性对于通过高速光电路发送信息和探测每秒振动数千万亿次的原子和分子是至关重要的。但是,使用被称为空间光调制器的设备进行脉冲整形的标准方法成本高、体积大,并且缺少科学家日益需要的精细控制。此外,这些装置通常是基于液晶的,它们可以被设计成形状的高强度激光脉冲损坏。

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图片说明:原理图显示了一种新的技术来重塑超快光脉冲的特性。一个入射光脉冲(左)被分散到它的各种组成频率或颜色中,并被引导到由数百万个小硅柱和一个集成偏光器组成的超表面。纳米柱被专门设计成同时且独立地塑造每个频率分量的特性,如振幅、相位或极化。然后将发射的光束重新组合,以获得一个新的形状修改脉冲(右)。学分:S.Kelley/NIST

现在,美国国家标准与技术研究院(NIST)和马里兰大学位于大学公园的纳米中心的研究人员已经开发出一种新颖而紧凑的光雕刻方法。他们首先在玻璃上沉积了一层超薄硅,厚度只有几百纳米(十亿分之一米),然后用一种保护材料覆盖了数百万平方米的硅。通过蚀刻掉每一个方块周围的硅元素,团队创造了数以百万计的小柱子,这在光雕刻技术中起到了关键作用。

这种扁平的超薄器件是超表面的一个例子,它用来改变光波通过超表面时的特性。通过仔细设计纳米柱的形状、尺寸、密度和分布,现在可以同时独立地以纳米级精度调整每个光脉冲的多种特性。这些特性包括波的振幅、相位和偏振。

光波是一组相互垂直的振荡电场和磁场,其波峰和波谷与海浪相似。如果你站在海洋中,波的频率是波峰或波谷经过你的频率,振幅是波的高度(波谷到波峰),相位是你相对于波峰和波谷的位置。

NIST和纳米中心的Amit Agrawal说:“我们发现了如何独立和同时操纵超快激光脉冲中每个频率分量的相位和振幅。”“为了实现这一点,我们使用了精心设计的一组硅纳米柱,每一组硅纳米柱对应脉冲中的每一种组分颜色,并在器件背面制作了一个集成偏光器。”

当光波穿过一组硅纳米柱时,光波的速度比空气中的速度慢,其相位也会延迟,当光波到达下一个峰值的时间比光波到达下一个峰值的时间稍晚。纳米柱的大小决定了相位变化的量,而纳米柱的方向改变了光波的偏振。当一个被称为偏振器的装置连接到硅的背面时,偏振的变化可以转化为相应的振幅变化。

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图片说明:脉冲整形设置的更详细的示意图。入射光脉冲(左)从光栅衍射,光栅将脉冲分散到不同的频率或颜色。然后抛物面镜将分散的光重新定向到刻有数百万根小柱的硅表面。纳米柱被专门设计成同时且独立地塑造每个频率分量的特性,如振幅、相位或极化。然后,第二个抛物面镜和衍射光栅将分离的组件重新组合成新形成的脉冲(右)。学分:徐涛/南京大学

以高度可控的方式改变光波的相位、振幅或偏振可以用来编码信息。快速、微调的变化也可以用来研究和改变化学或生物过程的结果。例如,入射光脉冲的改变可以增加或减少化学反应的产物。在这些方面,纳米柱方法有望为超快现象和高速通信的研究开辟新的前景。

Agrawal和NIST的Henri Lezec及其合作者今天在《科学》杂志在线描述了这些发现。

Lezec说:“我们希望将超表面的影响扩展到其典型应用之外,从空间上改变光学波前的形状,并使用它们来改变光脉冲随时间的变化方式。”

一个典型的超快激光脉冲只能持续几飞秒,或者说是万亿分之一秒的千分之一,对于任何设备来说都太短了,无法在一个特定的瞬间形成光。相反,Agrawal、Lezec和他们的同事们设计了一种策略,通过使用一种称为衍射光栅的光学装置,首先将光分离成组成脉冲的各个频率分量或颜色。

每种颜色都有不同的强度或振幅,类似于音乐泛音由许多不同音量的单个音符组成的方式。当指向纳米柱刻蚀硅表面时,不同的频率分量撞击不同的纳米柱组。每一组纳米柱都被量身定做,以特定方式改变元件的相位、强度或电场方向(极化)。然后,第二个衍射光栅重新组合所有组件,以产生新的形状脉冲。

研究人员设计了他们的纳米柱系统,使其能够与超快光脉冲(10飞秒或更少,相当于1万亿分之一秒)一起工作,这些超快光脉冲由宽范围的频率成分组成,波长从700纳米(可见红光)到900纳米(近红外)。通过同时独立地改变这些频率分量的振幅和相位,科学家们证明了他们的方法能够以可控的方式压缩、分裂和扭曲脉冲。

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