基於時空相位調製超表面實現非互易光傳播的新方法

2020-11-25 科學網

 

近日，美國賓夕法尼亞州立大學電子工程系的Xingjie Ni教授的研究團隊發表了題為「Nonreciprocal Metasurface with Space-Time Phase Modulation」的文章，提出在具有時空相位調製的超薄超表面上實現非互易光傳播的新方法。研究人員在實驗上通過附加超快時間相位調製證實了該動態超表面設計。他們結合兩個相干波的外差幹涉產生的多太赫茲時變調製，將動態相變引入超表面。這種方法為製造緊湊、可集成的非互易光學元件提供了一種潛在的思路。該研究成果於12月發表在《Light: Science & Applications》期刊上。

研究背景

光的傳播是互易的，即光在一個方向上的傳播軌跡與相反方向上的傳播軌跡相同。在需要非對稱光流的光學系統中，打破互易性是很重要的。打破互易性可以使光只在一個方向傳播。支持這種單向光流的光學元件，例如隔離器和循環器，是現代雷射和通信系統中不可缺少的構件。然而，目前光學非互易性幾乎完全是通過磁光材料實現的，磁光材料與現代微型化光子系統是不相容的。基於磁光效應的非互易性光學元件的設備體積龐大，難以集成。在許多光學應用中，實現無磁的非互易光傳輸是非常必要的。此外，亞波長相互作用長度和大於THz帶寬的超快調製頻率的非互易性是一個技術難題，迄今為止還未實現。

創新研究

本文首次提出用一種新型光學超表面在光學頻率上實現自由空間中光的非互易傳播。這是一個具有可控超快時變特性的光學超表面，它能夠在沒有大體積磁鐵的情況下，打破光學互易性。該新型超表面由銀色反光板和在近紅外波長約860nm處有大非線性克爾係數的塊狀矽納米天線組成。研究人員利用頻率間隔較近的兩條雷射線之間的外差幹涉，實現了約2.8THz大的時間調製頻率的超快時空相位調製。這種動態調製技術在空間和時間調製頻率方面表現出極大的靈活性。研究人員在實驗中實現在150nm亞波長相互作用長度下，約5.77THz寬帶內光的完全不對稱反射。此外，文中提出利用由超表面幾何提供的單向動量傳遞，可以通過設計一個不希望的輸出狀態位於禁止區域，即非傳播區域，自由地控制選擇性光子轉換。這種方法在控制光的動量和能量空間方面表現出良好的靈活性。它將為探索由時變材料特性產生的有趣物理現象提供一個新的平臺，並將為可伸縮、可集成、無磁互易器件的發展開闢一個新的範式。

圖1 非互易時空相位調製超表面的工作原理。

(a)由諧振介質納米天線組成的時空相位調製超表面反射模式下的示意圖。在設計的沿x方向相位梯度上疊加一個正弦移動相位調製。頻率為的光打到超表面上由於動態相位調製轉化為頻率為的反射光，而後向傳播的光束頻率由變為，產生非互易效果。對比普通空間調製超表面(b)(c)和時空相位調製超表面(d)(e)。普通空間調製超表面僅支持對稱對稱的正向(b)和反向(c)反射，如圖所示。無頻率轉換。這個過程使互易的，前後兩束光的軌跡相同。時空相位調製超表面支持非對稱的正向(b)和反向(c)反射。它不僅在沿x方向提供了額外的動量，也轉換了效率。無論正向還是反向，向上的躍遷是禁止的，由於產生的波矢過大，在自由空間得不到支持，從而導致能量和動量空間中的單向光子躍遷。因此，光束的運動軌跡不同，表現出非互易效應。為空間相位調製引入的線性動量，為時間相位調製引入的附加線性動量。

圖2 超表面設計和表徵。

(a)超表面單個單元的3D示意圖，由三個非單晶矽納米棒天線組成。銀磨板，二氧化矽間隔層，和非單晶矽厚度分別是200nm,50nm,150nm。(b)計算單個納米天線不同參數和對應的相移。當泵浦光以15GW/cm2的強度照射時，它被等高線覆蓋，顯示0.32弧度的泵浦相移變化(黑色虛線)。白線是表示在靜態條件下等間距相移的等值線。紅色空心稜形標記的三種不同結構的納米天線以2π/3的間隔覆蓋2π靜態相移用於組成超表面。(c)加工完成的非單晶矽超表面的FESEM圖像。主圖和插圖的比例尺分別是1μm和200nm。(d)=1.5μm，波長由680nm到1000nm的光正入射到超表面上得到測量(紅圈)和計算(藍線)的異常反射角。插圖展示了λ=860nm異常反射角隨從1.2μm到1.8μm的變化。實驗結果與理論基本一致。

圖3 可控時空相位調製實驗。

(a)圖示兩個頻率間隔很近分別為和的泵浦光束分別以入射角和撞擊超表面。它們在超表面上產生周期為，速度為的幹涉條紋。由於移動幹涉條紋，超表面上的納米天線在相移中存在時變性。(b)實驗裝置示意圖。將800nm的鈦寶石飛秒脈衝雷射器的輸出分成兩束：一束直接通過傳輸光柵產生頻移泵浦光；另一個被發送到光子晶體光纖(PCF), 以產生波長可調的探測光束。採用兩條延遲線實現三束光之間的時間同步。非球面透鏡將泵浦和探測光束聚焦到超表面上。反射的信號由D形反射鏡接收並由光譜儀檢測。通過監測在非球面透鏡的傅立葉平面上採集到的光譜，我們繪製了反射信號的頻率和動量。(c) 兩束泵浦光的光譜顯示波長差為6 nm(對應於?f of 2.8 THz)。(d) 二維傅立葉變換的幹涉圖樣兩泵束，說明和相同，是波長為860nm的探測光在自由空間中的波矢。

圖4 時空相位調製超表面非互易光反射的實驗研究。

(a)在的動態調製下，正入射到超表面上的探測光束（）的能量-動量圖，在f = 345.8 THz and kx = 0.18kprobe存在下轉換信號。(b)在向後的情況下，與前一個信號頻率相同(f = 345.8 THz)但方向相反(kx = -0.18kprobe)的探測波束被發送到超表面。能量-動量圖顯示了在f = 342.0 THz下移的信號出口在法線方向(kx = 0)。在這兩種情況下，轉換後的信號都被放大了倍，以便更好地顯示(放大的區域被白色方框包圍)。這些結果與圖1d和圖e所示的理論預測完全吻合。在感興趣地區域(所有可能存在光子躍遷)，使用更精密地掃描步長和更長地光譜儀積分時間確保轉換信號的檢測。在可能存在上邊帶或高動量邊帶的區域，即使放大也沒有檢測到信號。因此，這裡只放大了發生一階轉換的區域。

圖5 光子躍遷的方向選擇性實驗。

(a)只有kM =0.32kprobe和?f = 2.8 THz調製的超表面(ks = 0.72kprobe)才會發生向下的光子轉換。轉換後的信號被放大了倍，以便更好地顯示。(b)相反，在具有ks = -0.72kprobe的超表面上進行相同的時間相位調製時，只會發生向上的光子轉換。轉換後的信號被放大了倍，以便更好地顯示(放大的區域被白色方框包圍)。

（來源：科學網 葉欣）

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-019-0225-z 

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