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具有時空相位調制的超表面展示了不可逆的光反射

發布:laserpulse    |    2019-12-25 17:47    閱讀:701
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賓夕法尼亞州立大學的科學家開發了一種新型的光學超表面,該表面使得光僅在一個方向上反射。利用超薄非線性超穎表面提供的空間和時間相位控制,科學家們通過實驗證明了在860 nm左右波長下不可逆的光反射。新的超表面可以推動可擴展、無磁性、不可逆設備的開發,這些設備可以與其他光學組件集成在一起。支持光單向流動的光學設備(例如隔離器和循環器)目前幾乎完全基于磁光效應,設備體積龐大且難以集成。倪興杰教授說:“這是第一個具有可控的超快時變特性的光學超表面,能夠在沒有笨重磁鐵的情況下打破光學互易性。”

超薄超穎表面由一塊銀背反射板組成,該板支撐著塊狀硅納米天線,在近紅外(NIR)波長處具有較大的非線性Kerr指數。研究人員利用在頻率上緊密間隔的兩條激光線之間的外差干涉,在納米天線上創建有效的行波折射率調制,從而實現了具有約2.8 THz時間調制頻率的超快時空相位調制。

示意圖顯示了時空相位調制超表面的概念,該表面由以反射模式工作的諧振介電納米天線組成。正弦形式的行進相位調制沿水平方向疊加在設計的相位梯度上。由于動態相位調制的參量過程,入射到頻率為ω超表面的光被轉換為頻率為ω–Δω的反射光束,而頻率為ω–Δω的反向傳播光束被轉換為ω–2Δω而不是ω ,導致不可逆的效果。

動態調制技術在調整空間和時間調制頻率方面顯示出靈活性。在150 nm的亞波長相互作用長度內,以大約5.77 THz的帶寬通過實驗實現了向前和向后光傳播中的完全不對稱反射。由時空超表面反射的光獲得由空間相位梯度引起的動量偏移以及從時間調制上升的頻率偏移。光在正向反射和反向反射之間表現出不對稱的光子轉換。通過利用超表面幾何學提供的單向動量傳遞,研究人員發現,可以通過將非期望的輸出狀態設計為位于非傳播區域來自由地控制選擇性光子轉換。

研究人員說,他們的方法在控制動量和能量空間中光的方面顯示出出色的靈活性,并且可以提供一個新平臺來探索隨時間變化材料特性的物理原理。在亞波長范圍內實現了光學不可逆性,使得該方法可能與集成的納米光子和量子光學系統兼容。

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