Spatiotemporal manipulation af femtosekunds lysimpulser for on-chip-enheder

En ny publikation fra Opto-Electronic Advances diskuterer spatiotemporal manipulation af femtosekund lysimpulser for on-chip enheder.

Med udviklingen af ​​højt integrerede nanofotoniske enheder er forskere begyndt at forfølge nye metoder til fleksibelt at manipulere lyssignalerne på chip i både ekstrem lille rumlig skala (f.eks. nanometer) og ultrahurtig tidsmæssig skala (f.eks. femtosekund). Styringen af ​​optiske signaler i nanometer- og femtosekundskalaer giver ikke kun grundlæggende indsigt i den ultrahurtige dynamik i interaktionen mellem lys og stof, men tilbyder også en effektiv platform for højeffektiv ultrahurtig signalbehandling i integrerede nanofotoniske enheder og optisk detektion og billeddannelse med super-spatiotemporal opløsning. Forskning i spatiotemporal lysfeltmanipulation er således af stor betydning og kan anvendes bredt inden for fotoniske kredsløb, fotonisk informationsbehandling, kvanteinformationsbehandling, neuromorf databehandling og kunstig intelligens og ultrahurtig optisk bølgefrontmåling.

Til rumlig modulering af lys i nanoskala er der i de senere år blevet udviklet nogle nye optiske enheder såsom metamaterialer og metasurfaces til præcist at kontrollere opførselen af ​​mikro- og nanoskala optiske felter. For eksempel kan udbredelsen af ​​optiske signaler moduleres til en buet bane som Airy-strålen. Til modulering i tidsdomæne lider de traditionelle metoder, herunder dynamisk styret udstyr (såsom SLM) eller aktivt kontrollerede materialer (såsom elektro-optiske materialer), af materialernes begrænsede responstid og er ikke egnede til ultrahurtig modulering af femtosekund lysimpulser.

For nylig, med udviklingen af ​​pulsformningsteknologi, er frekvensdomænemodulation gradvist blevet det vigtigste middel til ultrahurtig modulering på femtosekundspulser. Ved at kombinere frekvensdomæne-modulationsmetoden med de designede mikro-/nano-strukturer forventes det at opnå lysfeltgenerering og -manipulation i både nanometer- og femtosekundskalaer, hvilket skaber mange nye rumlige lysfelter og udvider nye applikationer.

Forfatterne af denne artikel foreslår en ny metode til at manipulere on-chip-udbredelsen af ​​en femtosekunds lyspuls baseret på den spatiotemporale Fourier-transformation (FT). Ved at kombinere frekvensdomænemodulationsmetoden med den rumlige modulationsmetode fandt de ud af, at den rumlige fordeling af lysfeltet kan arrangeres ved at regulere det rumlige domæne FT med en on-chip nanofokuseringsstruktur og den ultrahurtige bølgefrontformning af femtosekundpulser i tidsdomænet kan realiseres ved at justere den tidsmæssige FT med lysets spredningseffekt. Endelig kan den spatiotemporale FT synkroniseres for at manipulere on-chip-udbredelsesegenskaberne af femtosekund-impulser i tid-rum-domæne.

For at demonstrere denne spatiotemporale FT-metode for on-chip-enheder, valgte de overfladeplasmonpolaritoner (SPP) exciterede på en metaloverflade som eksempel og studerede modulationsydelsen på de exciterede femtosekunds SPP-impulser. Med evnen til at bryde gennem den optiske diffraktionsgrænse er SPP'er i vid udstrækning blevet anvendt i nanofotoniske enheder til en række forskellige anvendelser, herunder optisk lagring, optisk sansning, optisk pincet og Raman-spredning. Ud over rumlige opløsninger i nanoskala muliggør SPP-impulser, der genereres af en femtosekund-laser, femtosekund-skala tidsmæssige opløsninger, hvilket giver en forskningsplatform til manipulation af lysfelter og interaktion mellem lys og stof ved ekstremt små rumlige skalaer.

Med den foreslåede spatiotemporale FT-modulationsmetode demonstrerede de teoretisk nogle ekstraordinære spatiotemporale moduleringseffekter på femtosekunds SPP-impulserne. For eksempel kan et konventionelt rumligt SPP-fokus gradvist bøjes til en ringform, og udbredelsesretningen af ​​en buet SPP-Airy-stråle kan vendes på bestemte tidspunkter for at skabe en S-formet bane. Sammenlignet med konventionel modulering af SPP'er i enten rum- eller tidsdomæne tilbyder den foreslåede metode potentielt en række nye effekter i SPP-modulation, især forbundet med det tidsmæssige domæne, og forbedrer derved graden af ​​frihed for optisk modulering og giver en ny platform til on- chip spatiotemporal manipulation af optiske impulser med applikationer, herunder ultrahurtig on-chip fotonisk informationsbehandling, ultrahurtig puls/stråleformning og optisk databehandling. + Udforsk yderligere

Ultrahurtig multitarget kontrol af tæt fokuserede lysfelter