超高速脉冲成形新技术：为研究高速通信打开新局面！

导读

据美国国家标准与技术研究院官网近日报道，该研究院与马里兰大学帕克分校纳米中心合作开发出一种新颖、紧凑的方法来实现超高速光脉冲成形。这种方法有望为研究超高速现象和高速通信打开新局面。

背景

让我们想象一下让光脉冲成形的可能方式：压缩它，拉伸它，将它一分为二，改变它的强度，或者改变它的电场方向。

时域中的超短光脉冲（图片来源：维基百科）

对于通过高速光学电路发送信息以及探测每秒振动数千万亿次的原子和分子来说，控制超高速光脉冲的特性是必不可少的。但是，脉冲成形的标准方法，即采用所谓的“空间光调制器”，不仅昂贵而且占据很大空间，还缺少科学家们越来越需要的精细控制。此外，这些设备一般都是基于液晶，可这种要设计成形的高强度激光脉冲正好会损坏液晶。

创新

近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）以及马里兰大学帕克分校纳米中心的研究人员开发出一种新颖、紧凑的方法来“雕塑”光线。

他们首先将一层厚度仅为几百纳米（十亿分之一米）的超薄硅沉积在玻璃上，然后用防护材料覆盖数百万个微型硅方块组成的阵列。通过蚀刻掉方块周围的硅，团队创造出了数百万个微柱，这些微柱在“光雕塑技术”中扮演着关键角色。

5月2日，美国国家标准与技术研究院和马里兰大学帕克分校纳米中心的阿米特·阿格拉瓦（Amit Agrawal）、NIST的亨利·莱锡克（Henri Lezec）以及他们的合作伙伴们一起将他们的研究成果在线发表在《科学（Science）》期刊上。

技术

这个扁平的超薄设备是超表面的一个例子。超表面可用于改变通过它传播的光波的特性。

基于超表面的平面透镜（图片来源：美国阿贡国家实验室）

通过仔细设计纳米柱的形状、尺寸、密度和分布，现在每个光脉冲的多重特性可按照纳米精度同时且独立地调制。这些特性包括波的振幅、相位和偏振。

光波，即一组相互垂直的振荡电场与磁场，像海浪一样具有波峰与波谷。如果你站在大海中，波的频率意味着波峰或者波谷多长时间从你身上经过一次，振幅就是波的高度（波谷到波峰），相位则是你相对于波峰或者波谷的位置。

阿格拉瓦表示：“我们搞清楚了如何同时且独立地操控超高速激光脉冲的每个频率分量的相位和振幅。为了实现这一点，我们采用了多组精心设计的硅纳米柱（一组纳米柱用于生成构成脉冲的一种颜色）以及一个安装在设备背面的集成偏光器。”

当光波通过一组硅纳米柱时，相比于空气中传播的速度，光波的速度变得缓慢下来，它的相位产生了延迟。也就是说，光波到达下一个波峰的时间，稍晚于它在空气中到达下一个波峰的时间。纳米柱的尺寸决定了相位改变的量，而纳米柱的方向改变了光波的偏振。当一个称为“偏振器”的设备附着在硅的背面时，偏振变化会转化为相应的振幅变化。

这幅示意图展示了一种新型技术，它可以重塑超高速光脉冲的特性。一个入射光脉冲（左）分散成各种构成频率或者颜色，被引导到由数百万个微型硅柱组成的超表面以及一个集成偏振器中。纳米柱经过特殊设计，从而同时且独立地操控每个频率分量的特性，例如振幅、相位或者偏振。传输的光束然后被重新结合形成一个形状被改变的脉冲（右）。（图片来源：S. Kelley/NIST）

一个典型的超高速激光脉冲仅持续几飞秒（一千万亿分之一秒）。这个时间太短，以至于任何设备都无法在某个特定时刻塑造光线。阿格拉瓦、莱锡克及其同事们却设计出一个新方案，以塑造组成脉冲的单个频率分量或者颜色。他们首先采用一个称为“衍射光栅”的设备，将光线分散成许多的频率分量。

每种颜色具有不同的强度或者振幅，这就像音乐中的泛音是由许多具有不同音量的单音符组成。当被定向到纳米柱蚀刻的硅表面上时，不同的频率分量照射不同组的纳米柱。每组纳米柱经过定制后，以特定的方式改变频率分量的相位、强度或者电场方向（偏振）。然后，第二个衍射光栅再将所有的频率分量重新结合起来，创造出新成形的光线。

脉冲成形装置的详细示意图。一个入射光脉冲（左）衍射通过光栅，光栅将脉冲分散成各种的频率和颜色。然后，一个抛物面反射镜将分散的光线重新定向到一个蚀刻有数百万个微柱的硅表面中。纳米柱经过特殊设计，从而同时且独立地操控每个频率分量的特性，例如振幅、相位或者偏振。第二个抛物面反射镜和衍射光栅将分开的频率分量重新结合成一个新形成的脉冲（右）。（图片来源：T. Xu/南京大学）

研究人员们设计出的纳米柱系统，可配合由跨越700纳米（可见的红光）到900纳米（近红外光）的大范围频率分量组成的超高速光脉冲（10飞秒或者更短）工作。科学家们通过同时且独立地改变这些频率分量的振幅与相位，演示了他们的方案能以可控的方式，压缩、分开以及扭曲光脉冲。

价值

以一种高度可控的方式改变光波的相位、振幅或者偏振，可用于编码信息。这种迅速、精细的改变，也可用于研究和改变化学或者生物学过程的结果。例如，入射光脉冲的改变，可以增加或者减少化学反应的产物。通过这些方式，这种纳米柱方法有望为研究超高速现象和高速通信打开新局面。

莱锡克表示：“我们想要扩展超表面的用途，使之超越典型的应用（从空间上改变光波阵面的形状），可以从时间上改变光脉冲。”

未来

科学家们希望通过进一步改进设备，将可以根据光脉冲的时间演化实现更多的控制，并有望操控频率梳中单根谱线的细节。频率梳是一个精准的工具，可用于测量原子钟等设备中的光线频率，并识别围绕着遥远恒星的行星。

NIST设计的基于芯片的光学频率合成器的试验台合成照片。关键元件，即NIST的芯片上的频率梳，安装在左下方的装置上。可编程的合成器的样本输出显示在图片的中部右侧。合成器的组件可进一步集成为便携式装备。（图片来源：Burrus/NIST）

关键字

飞秒脉冲、硅、纳米、光学、超表面

参考资料

【1】S. Divitt, W. Zhu, C. Zhang, H.J. Lezec and A. Agrawal, Ultrafast Optical Pulse Shaping using Dielectric Metasurfaces. Science First Release, May 2, 2019. DOI: 10.1126/science.aav9632

【2】https://www.nist.gov/news-events/news/2019/05/sculpting-super-fast-light-pulses-nist-nanopillars-shape-light-precisely

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