導讀：西湖大學和國際學者合作使用電子束刻蝕的方法製備出尺寸、間距和方向能夠精確控製的多種等離激元超表麵，從(cong) 而保證其等離激元模式得以定量調控，為(wei) 未來可調諧超短脈衝(chong) 激光器和神經形態電路的實現提供了有效途徑。這一最新成果發表在國際著名學術期刊“Light: Science & Applications”上，題目為(wei) ：Saturable plasmonic metasurfaces for laser mode locking。

圖1 用於(yu) 超快激光器中的飽和吸收體(ti) 的周期排列的納米金線等離子體(ti) 光學亞(ya) 穩表麵示意圖

圖解：等離子體(ti) 光學納米線的快速光吸收會(hui) 導致激光腔模的耦合，從(cong) 而形成脈衝(chong)

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圖2金納米棒超表麵為(wei) 例用於(yu) 孤子鎖模

(a) 金納米棒超表麵的掃描電鏡圖片。納米棒長軸間距Gy 為(wei) 50 nm，短軸間距Gx 為(wei) 200 nm，水平比列尺代表200 nm。插圖中比列尺代表100 nm，單個(ge) 納米棒的長度L為(wei) 445 nm，寬度W為(wei) 120 nm。(b) 金納米棒超表麵的光透過率隨入射激光功率和偏振態的變化規律。(c) 金納米棒超表麵非線性透過率隨激發光功率和偏振變化的實驗數據偽(wei) 彩圖。其中，徑向表示激光功率，軸向表示偏振方向，顏色表示光透過率。(d) 金納米棒超表麵作為(wei) 可飽和吸收體(ti) 的超快光纖激光器。LD-激光二極管, WDM-波分複用器， EDF-摻鉺光纖， ISO-隔離器， PC-偏振控製器， C1,2-準直鏡， O1,2-鏡頭。(e) 示波器中檢測到的超快激光脈衝(chong) （上圖時間段10 ms，下圖時間段300 ns）。

用於(yu) 激光鎖模的可飽和等離激元超表麵

表麵等離子體(ti) 光學亞(ya) 穩表麵是一種人工製造的2D板材狀的表麵等離子體(ti) 光學單元細胞在亞(ya) 波長陣列上的重複排列，從(cong) 而引起在本質上並不存在的預期的光波特性。在線型區間，關(guan) 於(yu) 用於(yu) 透鏡、全息或偏振的波前調製的研究是十分廣泛的。然而，在非線性區間的應用則很少有報道。考慮到在可飽和吸收器上的應用越來越多，這是一種特殊的取決(jue) 於(yu) 光強度所造成透射或吸收的用於(yu) 超快激光、神經形態回路的非線性器件，來自法國、中國和巴西的科學家們(men) 發展了一種表麵等離子體(ti) 光學亞(ya) 穩表麵技術提供了顯著有效的可飽和吸收，從(cong) 而可以用於(yu) 光的偏振態的調製。

圖3

(a) 金納米棒超表麵的掃描電鏡圖片。納米棒長軸間距Gy 為(wei) 50 nm，短軸間距Gx 為(wei) 200 nm，水平比列尺代表200 nm。插圖中比列尺代表100 nm，單個(ge) 納米棒的長度L為(wei) 445 nm，寬度W為(wei) 120 nm。（b）用於(yu) 測量消光光譜 NR排列的光學實驗裝置示意圖，此處的SCLS為(wei) 超連續光源（supercontinuum light source），C1和C2為(wei) 準直鏡，LED為(wei) 發光二極管，L1, L2, L3 為(wei) 透鏡，BS1 和 BS2為(wei) 分束器， O1和 O2為(wei) 顯微物鏡。粉紅色和藍色的虛線分別表示照明和成像光路。（c,d）規範化實驗和模擬NR排列在L為(wei) 不同值時的消光光譜。

來自中國西湖大學的紀永博士、法國勃艮第大學卡諾交叉學科實驗室、巴西聯邦研究院（巴伊亞(ya) ）等單位合作進行了平麵納米技術用於(yu) 製造用於(yu) 精密控製尺寸、間隙和方向的2D表麵等離子體(ti) 光學亞(ya) 穩表麵，這樣就可以實現等離子體(ti) 模式的精確控製，這在以前其化學合成部件是不能手動合成處理的。這一最新成果發表在期刊《 Light: Science & Applications》上以題為(wei) ：用於(yu) 激光鎖模的可飽和等離激元超表麵（Saturable plasmonic metasurfaces for laser mode locking）進行了發表。於(yu) 是，極化飽和吸收和非穩態表麵的等離子體(ti) 景觀之間的連接可以實現量化。更為(wei) 有趣的是，研究人員將飽和非穩態在光纖激光腔結構中得以實現並獲得了穩定的自啟動超快激光脈衝(chong) 的產(chan) 生。為(wei) 未來可調諧超短脈衝(chong) 激光器和神經形態電路的實現提供了有效途徑。

圖4

圖解：NR排列（a，d）的SEM照片（a-c）和勵磁能量以及偏振相關(guan) 非線性傳(chuan) 輸（d-f），納米交叉排列（b，e）和納米納米環排列（c，f）。SEM照片中的標尺為(wei) 200nm，（g）NR（紅色）、納米交叉（綠色）和納米環（藍色））之間調製深度的比較，兩(liang) 個(ge) 柱狀線表示兩(liang) 種極端條件下的結果，即最大（左邊）和最小的值。

研究人員研究了不同等離子景象如納米線、納米交叉和納米環等可飽和吸收器來產(chan) 生超快激光脈衝(chong) 。很顯然，他們(men) 測量的可飽和吸收器如表麵等離子體(ti) 光學亞(ya) 穩表麵高達60%的調製深度。如此高的調製深度並不尋常，尤其是為(wei) 了薄的亞(ya) 穩態表麵如：2D可飽和吸收器相互之間的比較表明公開報道的最大調製深度不超過11%，並且在相似的研究中對膠體(ti) 金納米棒的調製深度的報道，隻有5%左右。一個(ge) 典型的半導體(ti) 可飽和吸收鏡（SESAM (semiconductor saturable absorber mirror) ）可以進行調整的深度能夠超過30%，但確實在一個(ge) 相對比較厚的器件中獲得的。

該項目的關(guan) 鍵點就在於(yu) 找到量化非線性吸收和特定等離子體(ti) 模型之間的關(guan) 係，這個(ge) 可能隻能通過平麵納米技術來製造表麵等離子體(ti) 光學亞(ya) 穩表麵來實現，如電子束蝕刻技術，而不是簡單的采用旋轉塗覆納米微球的辦法在光纖或將光纖浸入納米粒子溶液中的辦法。

通過融合表麵等離子體(ti) 光學亞(ya) 穩表麵和光纖激光器結構自由空間截麵，研究人員最終實現了鎖模激光操作的穩定的自啟動。典型的單孤子脈衝(chong) 的持續時間為(wei) 729 fs，其信噪比可以達到75dB，這一噪音在射頻域範圍內(nei) 。

研究團隊不僅(jin) 驗證了金屬納米材料材料具有可飽和吸收以及更廣泛的非線性光學吸收特性，這是半導體(ti) 材料中的一個(ge) 非常有名的現象。更為(wei) 重要的是，這一結果顯示了非線性等離激元學提供了一套現實可行、具有廣闊市場前景其非常值得關(guan) 注的應用方案。”

論文研究人員簡介

王紀永，2017年獲得德國圖賓根大學、法國國家研究院-特魯瓦科技大學雙博士學位，2018年加入西湖大學仇旻講席教授科研團隊，從(cong) 事微納光子學、非線性光子學與(yu) 超快光子學等交叉學科的研究。

Dr. Aurelien Coillet，法國勃艮第大學卡諾交叉學科實驗室Matre de Conférence，主要從(cong) 光波導非線性、光纖非線性動力學相關(guan) 的研究。

Dr. Benoit Cluzel，法國勃艮第大學卡諾交叉學科實驗室Matre de Conférence，主要從(cong) 事微納光子學與(yu) 近場光學相關(guan) 的研究。

Prof. Philippe Grelu，法國勃艮第大學卡諾交叉學科實驗室光子學教授，主要從(cong) 事光纖非線性動力學相關(guan) 研究工作。

參考文獻：

• 1.Basudeb Sain & Thomas Zentgraf ，Published: 23 April 2020，metasurfaces help lasers to mode-lock，Light: Science & Applications volume 9, Article number: 67 (2020)。

文章來源：

Wang, J., Coillet, A., Demichel, O. et al. Saturable plasmonic metasurfaces for laser mode locking. Light Sci Appl 9, 50 (2020). https://doi.org/10.1038/s41377-020-0291-2