时空相位调制的超颖表面使光仅在一个方向上反射

时间：2021-09-07 09:52:31 来源：

该图显示了时空相位调制超表面的概念，该超表面由以反射模式工作的谐振介电纳米天线组成。正弦形式的行进相位调制沿水平方向叠加在设计的相位梯度上。由于动态相位调制产生的ω参数过程，以频率入射到超表ω面Δω上的光被转换为具有频率的反射光束，而具有频率的反向传ω播Δω光束被转ω换Δω为-2而ω不是，从而产生不可逆的效果。

光的传播通常是双向的，这意味着沿一个方向传播的光的轨迹与沿相反方向传播的光的轨迹是相同的。互易性的破坏会使光仅向一个方向传播。支持这种单向光流的光学组件，例如隔离器和循环器，是许多现代激光和通信系统中必不可少的构件。目前，它们几乎完全基于磁光效应，从而使设备体积庞大且难以集成。迫切需要一种无磁性的路线，以在许多光学应用中实现不可逆的光传播。

最近，科学家们开发了一种新型的光学超表面，通过该空间，可以在空间和时间上对反射光进行相位调制，从而导致前进和后退光传播的路径不同。具有这种超薄成分的光频率在实验上首次实现了在自由空间中不可逆的光传播。

“这是第一个具有可控的超快时变特性的光学超表面，能够在没有笨重磁铁的情况下打破光学互易性，”宾夕法尼亚州立大学电气工程系的Charles H. Fetter助理教授倪兴杰说。结果在本周的《光》杂志上发表：科学与应用。

超薄超颖表面由一块银背反射板组成，该板支撑着块状硅纳米天线，该纳米天线在860 nm附近的近红外波长处具有较大的非线性Kerr指数。频率间隔紧密的两条激光线之间的外差干扰被用于在纳米天线上创建有效的行波折射率调制，从而导致超快的时空相位调制，并具有前所未有的大的约2.8 THz的时间调制频率。这种动态调制技术在调整空间和时间调制频率方面显示出极大的灵活性。在150 nm的亚波长相互作用长度内，以约5.77 THz的宽带宽通过实验实现了前向和后向光传播中的完全不对称反射。

由时空超表面反射的光获得由空间相位梯度引起的动量偏移以及由时间调制引起的频率偏移。它在正向和反向反射之间表现出不对称的光子转换。另外，通过利用由超表面几何形状提供的单向动量传递，可以通过将不希望的输出状态设计为位于禁止的，即非传播的区域中来自由地控制选择性光子转换。

这种方法在控制动量和能量空间中的光方面显示出出色的灵活性。它将提供一个新的平台，用于探索由时间相关的材料特性引起的有趣的物理学，并将为可扩展，可集成，无磁体的不可逆设备的开发开辟新的范例。

参考：郭雪学，丁一民，段尧，倪兴杰的“具有时空相位调制的不可逆超颖表面”，2019年12月18日，灯光：科学与应用.DOI：
10.1038 / s41377-019-0225-z

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