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示意图显示了一种重塑超快光脉冲特性的新技术。一个入射光脉冲(左)被分散到它的各个组成频率中,或颜色,并直接进入由数百万个硅柱和集成偏振器组成的超表面。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,例如其振幅,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)。凯利/ NIST
示意图显示了一种重塑超快光脉冲特性的新技术。一个入射光脉冲(左)被分散到它的各个组成频率中,或颜色,并直接进入由数百万个硅柱和集成偏振器组成的超表面。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,例如其振幅,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)。凯利/ NIST

文摘:
想象一下能够以任何可以想象的方式形成光脉冲压缩它,伸展它,一分为二,改变其强度或改变其电场方向。

雕刻超快速光脉冲:NIST纳米柱精确塑造实际应用的光

盖瑟斯堡MD 5月3日发布,二千零一十九

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。但是使用空间光调制器的脉冲整形标准方法是昂贵的,体积庞大,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。

现在,美国国家标准与技术研究所(NIST)和马里兰大学(University of Maryland)的纳米中心(Nanocenter in College Park)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,只有几百纳米(十亿分之一米)厚,然后用一种保护材料覆盖了数百万个小正方形的硅阵列。通过腐蚀每一个方块周围的硅,这个团队创造了数以百万计的小柱子,在光雕刻技术中起到了关键作用。

公寓,超薄器件是超表面的一个例子,用来改变光波通过它的特性。vwin徳赢官网通过仔细设计形状,尺寸,纳米柱的密度和分布,每个光脉冲的多重特性现在可以同时独立地以纳米级的精度进行调整。这些特性包括振幅,波的相位和偏振。vwin徳赢官网

光波,vwin徳赢官网一组相互垂直的振荡电场和磁场,有类似于海浪的山峰和低谷。vwin徳赢官网如果你站在海里,波的频率是波峰或波谷经过你的频率,vwin徳赢官网振幅是波的高度(波谷到波峰)。vwin徳赢官网这个阶段是相对于波峰和波谷的。

我们研究了如何独立和同时操纵超快激光脉冲每个频率分量的相位和振幅,Amit Agrawal说,国家标准与技术研究所和纳米中心。为了实现这一目标,我们使用了精心设计的硅纳米柱,脉冲中每种成分颜色各一个,以及一个集成偏光器,该偏光器装配在该器件的背面。

当光波穿过一组硅纳米柱时,vwin徳赢官网波在空气vwin徳赢官网中比它的速度慢,并且它的相位被延迟波到达下一个峰值的时刻比波在空气中到达下一个峰值的时间稍晚。纳米柱的大小决定了相的变化量,而纳米柱的方向改变了光波的偏振。vwin徳赢官网当一个被称为偏振器的装置连接到硅的背面时,极化的变化可以转化为相应的振幅变化。

改变相位,光波的振幅或偏振以高度可控的方式可以用来编码信息。vwin徳赢官网迅速,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。以这些方式,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。

阿格拉沃尔以及国家标准与技术研究院的亨利·莱泽克和他们的合作者,请在今天的《科学》杂志上在线描述这些发现。

我们希望将超曲面的影响扩展到其典型应用之外在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,Lezec说。vwin徳赢官网

典型的超快激光脉冲只持续几飞秒,或者千分之一万亿分之一秒,太短了,任何装置都不能在某一特定的瞬间形成光。相反,阿格拉沃尔Lezec和他们的同事设计了一种策略,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。当进入纳米柱刻蚀硅表面时,不同的频率分量撞击了不同的纳米柱。每一组纳米柱都是为了改变相位,以特定方式确定部件的强度或电场方向(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来处理超快光脉冲(10飞秒或更小,相当于万亿分之一秒的百分之一,由范围广泛的频率成分组成,波长从700纳米(可见红光)到900纳米(近红外)。vwin徳赢官网同时独立地改变这些频率分量的振幅和相位,科学家证明他们的方法可以压缩,以可控方式分离和扭曲脉冲。

该装置的进一步改进将使科学家对光脉冲的时间演变有更多的控制,并可能使研究人员能够在频率梳中精确地形成单独的线。一种精确的测量光频率的工具,用于诸如原子钟之类的设备,并用于识别遥远恒星周围的行星。

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纸张:S迪瓦特W朱C.张H.J.莱泽克和A.阿格拉沃尔利用介质超表面进行超快光脉冲整形。科学第一版,5月2日,2019。doi:10.1126/science.aav9632:

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