新型纳米光子平台:每秒可操纵偏振光万亿次

据美国莱斯大学官网近日报道,美国与意大利的工程师们演示了首个每秒可操纵偏振光一万亿次的纳米光子平台。

光的偏振,是指光的振动方向对于传播方向的不对称性,这种不对称性是横波区别于纵波的一个最明显的标志。光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象叫做光的偏振。

在垂直于传播方向的平面内,包含一切可能方向的横振动,且平均说来任一方向上具有相同的振幅,这种横振动对称于传播方向的光称为自然光(非偏振光)。凡其振动失去这种对称性的光统称偏振光。

下图所示:从白炽灯(1)发出的非偏振光(2)入射于传输轴为垂直方向的起偏器(3),透射出来的是垂直平面的偏振光(4)。

新型纳米光子平台:每秒可操纵偏振光万亿次

近日,美国与意大利的工程师们演示了首个每秒可操纵偏振光一万亿次的纳米光子平台。这项研究的论文于本周发表在《自然·光子学》(Nature Photonics)上。

论文共同通讯作者、美国莱斯大学的 Alessandro Alabastri 表示:“偏振光可用于编码比特信息,并且我们已经展示过在太赫兹频率调制这样的光线是可行的。”

莱斯大学布朗工程学院电气与计算机工程系助理教授 Alabastri 表示:“这项技术有望用于无线通信。信号的操作频率越高,其传输数据的速度就越快。1太赫兹等于 1,000 吉赫兹,大约比商用的光学偏振开关的操作频率高25倍。”

这项研究是莱斯大学、米兰理工大学(Politecnico)以及位于热那亚的意大利技术研究所(IIT)之间展开的一项合作。这项合作始于2017年夏,那时这项研究的共同第一作者 Andrea Schirato 在莱斯大学物理学家实验室做访问学者,与 Peter Nordlander 进行了合作研究。Schirato 是米兰理工大学与意大利技术研究所联合培养的研究生,其导师是共同通讯作者、米兰理工大学的  Giuseppe Della Valle 以及论文合著者、意大利技术研究所的 Remo Proietti Zaccaria。

下面的示意图描绘了纳米图案化的等离子体超表面的结构和动作,该超表面在太赫兹频率调制偏振光。一个超短激光脉冲(绿色)激发十字形的等离子体结构,它旋转了比第一个光脉冲之后一皮秒之内到达的第二个光脉冲(白色)的偏振性。

新型纳米光子平台:每秒可操纵偏振光万亿次

每一位研究人员都在纳米光子学领域工作,这是一个迅速发展的领域,它用超小型人工结构来操纵光线。他们对于超高速偏振控制的想法是,充分利用短暂的微小变化,在等离子体超表面上产生高能电子。

超表面是嵌入纳米颗粒的超薄“膜”或者“片”,这些纳米颗粒在通过薄膜时,与光线相互作用。工程师们改变嵌入的纳米颗粒的尺寸、形状和组成,并将其排列成精确的二维几何图案,制作出超表面。这种超表面可以精准地拆分或者重定向光波。

Alabastri 表示:“将这个方案与其他方案区别开来的一点就是,我们依赖于发生在等离子体纳米颗粒中内在的超高速宽带机制。”

莱斯大学、米兰理工大学、意大利技术研究所的团队设计出一款含有一排排十字形金纳米颗粒的超表面。每个等离子体十字大约100纳米宽,与特定的光频率产生共振,从而生成一种增强的局部电磁场。由于这种等离子体效应,团队的超表面成为了一个可生成高能电子的平台。
获取更多前沿科技信息访问:https://byteclicks.com

Schirato 表示:“当一个激光脉冲照射到等离子体纳米颗粒上时,它会激发其中的自由电子,使一些电子达到非平衡的高能量水平。这意味着电子感觉到不舒服,并希望回归一个较轻松的状态。它们在低于一皮秒的极短时间内返回平衡。”

尽管十字在超表面中对称排列,非平衡态仍具有不对称特性,这种不对称性在系统返回平衡时消失。为了利用这种超高速现象来进行偏振控制,研究人员采用了一个双激光器装置。实验由论文第一作者  Margherita Maiuri 在米兰理工大学超高速光谱实验室开展,并经过团队的理论预测确认,采用一个激光器发出超短光脉冲来激发十字,使其在第一个脉冲之后一皮秒之内到达的第二个脉冲中调制光线偏振。

Alabastri 表示:“关键点在于,我们可以通过光线本身实现对于光线的控制,运用由等离子体超表面实现的罕见的超高速电子机制。通过适当设计纳米结构,我们演示了一种新颖的方案,有望使我们通过光学方式,以前所未有的速度,传送在偏振光中编码的宽带信息。”[环球创新智慧]

上一篇:

下一篇:


标签