導讀
據美國國家標準與技術研究院官網近日報道，該研究院與馬里蘭大學帕克分校納米中心合作開發出一種新穎、緊湊的方法來實現超高速光脈衝成形。這種方法有望為研究超高速現象和高速通信打開新局面。背景
讓我們想象一下讓光脈衝成形的可能方式：壓縮它，拉伸它，將它一分為二，改變它的強度，或者改變它的電場方向。
時域中的超短光脈衝（圖片來源：維基百科）
對於通過高速光學電路發送信息以及探測每秒振動數千萬億次的原子和分子來說，控制超高速光脈衝的特性是必不可少的。但是，脈衝成形的標準方法，即採用所謂的“空間光調製器”，不僅昂貴而且佔據很大空間，還缺少科學家們越來越需要的精細控制。此外，這些設備一般都是基於液晶，可這種要設計成形的高強度激光脈衝正好會損壞液晶。
創新
近日，美國國家標準與技術研究院（NIST）以及馬里蘭大學帕克分校納米中心的研究人員開發出一種新穎、緊湊的方法來“雕塑”光線。
他們首先將一層厚度僅為幾百納米（十億分之一米）的超薄硅沉積在玻璃上，然後用防護材料覆蓋數百萬個微型硅方塊組成的陣列。通過蝕刻掉方塊周圍的硅，團隊創造出了數百萬個微柱，這些微柱在“光雕塑技術”中扮演著關鍵角色。
5月2日，美國國家標準與技術研究院和馬里蘭大學帕克分校納米中心的阿米特·阿格拉瓦（Amit Agrawal）、NIST的亨利·萊錫克（Henri Lezec）以及他們的合作伙伴們一起將他們的研究成果在線發表在《科學（Science）》期刊上。
技術
這個扁平的超薄設備是超表面的一個例子。超表面可用於改變通過它傳播的光波的特性。
基於超表面的平面透鏡（圖片來源：美國阿貢國家實驗室）
通過仔細設計納米柱的形狀、尺寸、密度和分佈，現在每個光脈衝的多重特性可按照納米精度同時且獨立地調製。這些特性包括波的振幅、相位和偏振。
光波，即一組相互垂直的振盪電場與磁場，像海浪一樣具有波峰與波谷。如果你站在大海中，波的頻率意味著波峰或者波谷多長時間從你身上經過一次，振幅就是波的高度（波谷到波峰），相位則是你相對於波峰或者波谷的位置。
阿格拉瓦表示：“我們搞清楚瞭如何同時且獨立地操控超高速激光脈衝的每個頻率分量的相位和振幅。為了實現這一點，我們採用了多組精心設計的硅納米柱（一組納米柱用於生成構成脈衝的一種顏色）以及一個安裝在設備背面的集成偏光器。”
當光波通過一組硅納米柱時，相比於空氣中傳播的速度，光波的速度變得緩慢下來，它的相位產生了延遲。也就是說，光波到達下一個波峰的時間，稍晚於它在空氣中到達下一個波峰的時間。納米柱的尺寸決定了相位改變的量，而納米柱的方向改變了光波的偏振。當一個稱為“偏振器”的設備附著在硅的背面時，偏振變化會轉化為相應的振幅變化。
下方的示意圖展示了一種新型技術，它可以重塑超高速光脈衝的特性。一個入射光脈衝（左）分散成各種構成頻率或者顏色，被引導到由數百萬個微型硅柱組成的超表面以及一個集成偏振器中。納米柱經過特殊設計，從而同時且獨立地操控每個頻率分量的特性，例如振幅、相位或者偏振。傳輸的光束然後被重新結合形成一個形狀被改變的脈衝（右）。
（圖片來源：S. Kelley/NIST）
一個典型的超高速激光脈衝僅持續幾飛秒（一千萬億分之一秒）。這個時間太短，以至於任何設備都無法在某個特定時刻塑造光線。阿格拉瓦、萊錫克及其同事們卻設計出一個新方案，以塑造組成脈衝的單個頻率分量或者顏色。他們首先採用一個稱為“衍射光柵”的設備，將光線分散成許多的頻率分量。
每種顏色具有不同的強度或者振幅，這就像音樂中的泛音是由許多具有不同音量的單音符組成。當被定向到納米柱蝕刻的硅表面上時，不同的頻率分量照射不同組的納米柱。每組納米柱經過定製後，以特定的方式改變頻率分量的相位、強度或者電場方向（偏振）。然後，第二個衍射光柵再將所有的頻率分量重新結合起來，創造出新成形的光線。
下圖為脈衝成形裝置的詳細示意圖。一個入射光脈衝（左）衍射通過光柵，光柵將脈衝分散成各種的頻率和顏色。然後，一個拋物面反射鏡將分散的光線重新定向到一個蝕刻有數百萬個微柱的硅表面中。納米柱經過特殊設計，從而同時且獨立地操控每個頻率分量的特性，例如振幅、相位或者偏振。第二個拋物面反射鏡和衍射光柵將分開的頻率分量重新結合成一個新形成的脈衝（右）。
研究人員們設計出的納米柱系統，可配合由跨越700納米（可見的紅光）到900納米（近紅外光）的大範圍頻率分量組成的超高速光脈衝（10飛秒或者更短）工作。科學家們通過同時且獨立地改變這些頻率分量的振幅與相位，演示了他們的方案能以可控的方式，壓縮、分開以及扭曲光脈衝。
價值
以一種高度可控的方式改變光波的相位、振幅或者偏振，可用於編碼信息。這種迅速、精細的改變，也可用於研究和改變化學或者生物學過程的結果。例如，入射光脈衝的改變，可以增加或者減少化學反應的產物。通過這些方式，這種納米柱方法有望為研究超高速現象和高速通信打開新局面。
萊錫克表示：“我們想要擴展超表面的用途，使之超越典型的應用（從空間上改變光波陣面的形狀），可以從時間上改變光脈衝。”
未來
科學家們希望通過進一步改進設備，將可以根據光脈衝的時間演化實現更多的控制，並有望操控頻率梳中單根譜線的細節。頻率梳是一個精準的工具，可用於測量原子鐘等設備中的光線頻率，並識別圍繞著遙遠恆星的行星。
下圖是NIST設計的基於芯片的光學頻率合成器的試驗檯合成照片。關鍵元件，即NIST的芯片上的頻率梳，安裝在左下方的裝置上。可編程的合成器的樣本輸出顯示在圖片的中部右側。合成器的組件可進一步集成為便攜式裝備。
（圖片來源：Burrus/NIST）
關鍵字
飛秒脈衝、硅、納米、光學、超表面
【1】S. Divitt, W. Zhu, C. Zhang, H.J. Lezec and A. Agrawal, Ultrafast Optical Pulse Shaping using Dielectric Metasurfaces. Science First Release, May 2, 2019. DOI: 10.1126/science.aav9632
【2】https://www.nist.gov/news-events/news/2019/05/sculpting-super-fast-light-pulses-nist-nanopillars-shape-light-precisely
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