新型超表面允许前所未有的激光控制

江苏激光联盟指南：

< Span>精确控制激光的各种特性的能力对于我们今天使用的许多技术至关重要，从 VR 耳机到现在用于生物医学研究的显微成像。哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院的研究人员开发了一种单一的超表面，可以有效地调整激光的不同特性，包括波长，而无需额外的光学组件。研究结果发表在《自然通讯》上。

光的有效转化和塑形对于科学技术来说非常重要。今天，现代多功能光学设备需要多种功能，当使用体光学器件实现时，这会导致复杂的系统。相比之下，当用 Metasurfaces 代替后者时，可以实现紧凑、轻便和定制的光学设备。超表面是人造平面超材料，由亚波长间隔的纳米结构阵列组成，通常称为超原子，可以局部操纵光的振幅、相位和偏振以实现各种光学功能，如透镜、结构光和增强相机和光学计算等。然而，目前生产多功能超表面的方法的效率和角度范围（总结在图 1A-C 中）是有限的，从而限制了广泛的应用。目前还没有在光束整形方面具有亚表面柔性的光学元件，它也以相对较差的偏转角来实现不同的功能。

▲图片1. 广义超表面概念

ac。局部超表面方法。可以通过将来自不同超表面的元素交错或使用傅立叶光学并将每个函数所需的幅度和相位分布加在一起来创建多个函数。复振幅可以用琼斯矩阵代替，实现偏振控制（矩阵傅立叶光学）。由于晶胞的局部性，这两种方法对于大偏转角是非常低效的。 C。局部超表面的亚波长晶胞图。 d.亚波长单位单元的传统超表面库的一个例子，它将局部实现的相移与超原子的物理尺寸相关联。 e.传统的超级单元超表面是基于为单一功能而设计的超级单元阵列，例如超晶格光栅。 F。所提出的扩展超级单元超表面（SCMS）概念基于对每个位置的相位和极化的独立控制，并在每个级别上实现独立的功能。与每个函数相关的远场与通过傅立叶变换在每个阶上实现的相位分布有关。 G。与亚波长晶胞不同，超级晶胞具有多个衍射级，这取决于超级晶胞元件之间的耦合。随着偏转角的增加，这种非局域性变得很重要，可以在设计中严格考虑。 H。非局部超胞的多维库示例。该库包含所有订单的每种可能组合的超级单位。

研究人员的SCMS方法总结了之前的方法。它基于排列在离散晶格上的超级单元，其中每个超级单元都是从一个库（即超级单元库）中选取作为超表面。在局部超表面（图 1c）中，超原子是亚波长，因此透射或反射光不会发生多级衍射，超原子的几何形状决定了超表面对光的局部影响。例如，通过在晶格上将其离散化，并为每个位置选择具有所需相位的元素原子，以实现所需的相位分布。相比之下，在 SCMS（图 1g）中，超级单元更大，可以在本地视为光栅。超级单元的大小决定了要考虑的衍射级数和方向，超级嵌体可以改变或优化以独立控制每个级的复振幅（强度和相位）和偏振。

因此，提出的超级细胞超表面扩展的关键思想是从基底A上每个位置的超级细胞库中进行选择同时满足所需相位和幅度的超级单元，可以实现各阶独立的幅度和相位分布。传统的超表面库将超原子的物理尺寸与其局部相位或极化函数相关联（图 1d）。相比之下，对于我们的方法，可以编译一个包含超晶格几何及其各自相位和振幅列表的库，并且可以使用特殊代码（例如 Reticolo 或 S4）来模拟超晶格。

▲图片2. 多功能波束成形超晶格超表面（SCMS）

多波束超晶格超表面

作为第一个例子，研究人员展示了一个 SCMS，它将准直 s 偏振光束（以 52° 的大角度入射）分成三个角度非常不同的独立光束（图 2）。具体来说，零阶仍然是高斯光束，一阶弯曲52°成形为贝塞尔光束，二阶聚焦104°角。同时，它赋予轨道角动量（OAM）以在焦点处形成奇点。订单的模拟远??场显示在同一示意图中的带框插图中。

基于超表面的外腔激光器

< span>最后，研究人员用这种方法实验证明了基于外腔激光器（MECL）的波长可调超表面。超级单元反射器设计克服了常用ECL架构的缺点。尽管超表面已被用作腔内装置来获得轨道角动量激光器或重定向固态激光器的发射，或作为它们的增益介质，但尚未考虑它们在外部激光腔中的使用。所提出的超表面反射器相对于二极管激光源倾斜，将来自激光的 s 偏振光分成两束，并在其上实现两个独立的光学功能：一束光束聚焦回到激光二极管的表面，提供腔反馈和使激光操作，另一个是输出光束，可以任意准直或整形，否则标准的超表面或??外腔设计无法实现功能。可以通过相对于激光二极管移动超晶胞-超表面反射器而不改变输出光束的方向来控制激光波长。

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