雕刻超快光脉冲 Nanopillars精确地为实际应用塑造光

想象一下能够以任何可想到的方式塑造光脉冲 - 压缩它，拉伸它，将其分成两部分，改变其强度或改变其电场方向。

控制超快光脉冲的特性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至关重要。但是标准的脉冲整形方法 - 使用称为空间光调制器的装置 - 成本高，体积大，缺乏科学家越来越需要的精细控制。另外，这些装置通常基于液晶，这些液晶可被其设计成形的高强度激光的相同脉冲损坏。

现在，美国国家标准与技术研究院(NIST)和马里兰大学大学公园纳米中心的研究人员已经开发出一种新颖而紧凑的雕刻光学方法。他们首先在玻璃上沉积了一层超薄硅，厚度只有几百纳米(十亿分之一米)，然后用保护材料覆盖了数百万个硅的小方块阵列。通过蚀刻掉每个正方形周围的硅，该团队创造了数百万个微小的支柱，这在光雕技术中发挥了关键作用。

扁平超薄装置是表面的一个例子，用于改变穿过它的光波的特性。通过仔细设计纳米柱的形状，尺寸，密度和分布，现在可以同时且独立地以纳米级精度定制每个光脉冲的多种特性。这些属性包括波的幅度，相位和极化。

光波，一组彼此成直角的振荡电场和磁场，具有类似于海浪的波峰和波谷。如果你站在海洋中，波浪的频率是峰值或波谷经过你的频率，波幅是波浪的高度(波谷到峰值)，相位是你相对于山峰的位置和低谷。

“我们想出了如何独立地同时操纵超快激光脉冲的每个频率成分的相位和幅度，”NIST和NanoCenter的Amit Agrawal说。“为实现这一目标，我们使用了精心设计的硅纳米柱，一个用于脉冲中的每种成分颜色，一个集成的偏振器制造在器件的背面。”

当光波穿过一组硅纳米柱时，与空气中的速度相比，波速减慢，并且其相位被延迟 - 波浪到达下一个峰值的时刻稍晚于波浪的时间。在空中达到了下一个高峰。纳米柱的尺寸决定了相位变化的量，而纳米柱的取向决定了光波的极化。当称为偏振器的装置附着到硅的背面时，偏振的变化可以转换为相应的振幅变化。

以高度受控的方式改变光波的相位，幅度或偏振可用于编码信息。快速，精细调整的变化也可用于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。在这些方面，纳米柱方法有望在超快现象和高速通信的研究中开辟新的前景。

Agrawal与NIST的Henri Lezec及其合作者今天在线发表了科学杂志的研究结果。

“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 - 并用它们来改变光脉冲随时间变化的方式，”Lezec说。

典型的超快激光脉冲仅持续几个飞秒，或万亿分之一秒的万分之一，对于任何设备在一个特定瞬间塑造光线来说太短。相反，Agrawal，Lezec和他们的同事设计了一种策略，通过首先使用称为衍射光栅的光学设备将光分离成那些组件来塑造构成脉冲的各个频率成分或颜色。

每种颜色都有不同的强度或幅度 - 类似于音乐泛音由许多具有不同音量的单个音符组成的方式。当被引导到纳米柱蚀刻的硅表面时，不同的频率成分撞击不同组的纳米柱。调整每组纳米柱以特定方式改变组分的相，强度或电场取向(极化)。然后，第二衍射光栅重新组合所有组件以产生新形状的脉冲。

研究人员设计了他们的纳米柱系统，用于超快光脉冲(10飞秒或更短，相当于千分之一万亿分之一秒)，由超过700纳米(可见红光)到900波长的频率成分组成。纳米(近红外)。通过同时和独立地改变这些频率成分的幅度和相位，科学家证明他们的方法可以以可控的方式压缩，分裂和扭曲脉冲。

该设备的进一步改进将使科学家能够对光脉冲的时间演变进行额外的控制，并使研究人员能够在频率梳中精确地塑造单个线条，这是一种用于测量原子钟等设备中使用的光频率的精确工具。用于识别遥远恒星周围的行星。

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