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这种新型的等离子体超表面是在亚波长阵列中重复出现的人造二维等离子体单元,它产生了自然界不存在的意想不到的波长特性。在线性区域中,它们在透镜、全息或偏振控制的波前处理中的应用已经得到了深入的研究。然而,在非线性领域的应用却鲜有报道。考虑到对可饱和吸收体(一种特殊的非线性器件,其透明度(或吸收)取决于超快激光和神经形态电路的光强度)的需求日益增长,法国、中国和巴西的科学家们已经开发出等离子体超表面,提供了一种非常有效的可饱和吸收,这种吸收可以通过光的偏振来调节。

在一篇发表在《光:科学与应用Light: Science & Applications》杂志上的新论文中,来自法国勃艮第-弗朗奇大学跨学科实验室的科学家,以及来自中国西湖大学工程学院三维微/纳米制造与表征重点实验室的科学家,还有来自巴西巴伊亚联邦研究所电工学系的科研人员,利用平面纳米技术制造出了具有精确尺寸、间隙和取向的二维等离子体超表面,从而很好地控制了等离子体模式,而化学合成的对应物几乎无法实现。通过改变等离子体亚表面的激发功率、偏振度和几何参数,系统地研究了强激光泵浦下的非线性饱和吸收。极化饱和吸收与亚表面等离子体景观之间的联系已经被量化。更有趣的是,研究人员将可饱和亚表面应用到光纤激光器腔结构中,实现了稳定的自启动超短激光脉冲产生。


他们研究了不同的等离子体结构,如纳米棒、纳米交叉和纳米环作为可饱和吸收体来产生超快激光脉冲。值得注意的是,他们测量了这种等离子体超表面可饱和吸收的调制深度,高达60%。“这种高调制深度是不常见的,特别是对于薄亚表面:二维可饱和吸收体之间的比较表明,所报告的最大调制深度小于11%,而一项与胶体金纳米棒类似的研究报告的调制深度仅为5%左右。一个典型的SESAM(半导体可饱和吸收镜)的调制深度可以超过30%,但需要一个更厚的设备,” Grelu教授说。

 “关键是要找到非线性吸收和特定等离子体模式之间的定量关系,而这可能只能通过使用平面纳米技术来制造等离子体亚表面,例如电子束光刻,”Cluzel博士说,“这并不是简单地将胶体纳米颗粒旋涂到纤维上或将纤维浸入纳米颗粒溶液中。”

通过将等离子体超表面集成到光纤激光器结构的自由空间段中,研究人员最终获得了稳定的自启动锁模激光器操作。单孤子脉冲的典型持续时间为729fs,在射频域具有75db的大信噪比。

“我们验证了饱和吸收是金属纳米结构的一种普遍的非线性光学性质,这是半导体的一种众所周知的现象。更重要的是,我们证明了非线性等离子体电子学的一个有前途的应用,这是一个大多数相关研究很少关注的方法,” Jiyong Wang博士补充说。

原文来源:https://phys.org/news/2020-05-saturable-plasmonic-metasurfaces-laser-mode.html

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