导读：西湖大学和国际学者合作使用电子束刻蚀的方法制备出尺寸、间距和方向能够精确控制的多种等离激元超表面，从而保证其等离激元模式得以定量调控，为未来可调谐超短脉冲激光器和神经形态电路的实现提供了有效途径。这一最新成果发表在国际著名学术期刊“Light: Science & Applications”上，题目为：Saturable plasmonic metasurfaces for laser mode locking。

图1 用于超快激光器中的饱和吸收体的周期排列的纳米金线等离子体光学亚稳表面示意图

图解：等离子体光学纳米线的快速光吸收会导致激光腔模的耦合，从而形成脉冲

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图2金纳米棒超表面为例用于孤子锁模

(a) 金纳米棒超表面的扫描电镜图片。纳米棒长轴间距Gy 为50 nm，短轴间距Gx 为200 nm，水平比列尺代表200 nm。插图中比列尺代表100 nm，单个纳米棒的长度L为445 nm，宽度W为120 nm。(b) 金纳米棒超表面的光透过率随入射激光功率和偏振态的变化规律。(c) 金纳米棒超表面非线性透过率随激发光功率和偏振变化的实验数据伪彩图。其中，径向表示激光功率，轴向表示偏振方向，颜色表示光透过率。(d) 金纳米棒超表面作为可饱和吸收体的超快光纤激光器。LD-激光二极管, WDM-波分复用器， EDF-掺铒光纤， ISO-隔离器， PC-偏振控制器， C1,2-准直镜， O1,2-镜头。(e) 示波器中检测到的超快激光脉冲（上图时间段10 ms，下图时间段300 ns）。

用于激光锁模的可饱和等离激元超表面

表面等离子体光学亚稳表面是一种人工制造的2D板材状的表面等离子体光学单元细胞在亚波长阵列上的重复排列，从而引起在本质上并不存在的预期的光波特性。在线型区间，关于用于透镜、全息或偏振的波前调制的研究是十分广泛的。然而，在非线性区间的应用则很少有报道。考虑到在可饱和吸收器上的应用越来越多，这是一种特殊的取决于光强度所造成透射或吸收的用于超快激光、神经形态回路的非线性器件，来自法国、中国和巴西的科学家们发展了一种表面等离子体光学亚稳表面技术提供了显著有效的可饱和吸收，从而可以用于光的偏振态的调制。

图3

(a) 金纳米棒超表面的扫描电镜图片。纳米棒长轴间距Gy 为50 nm，短轴间距Gx 为200 nm，水平比列尺代表200 nm。插图中比列尺代表100 nm，单个纳米棒的长度L为445 nm，宽度W为120 nm。（b）用于测量消光光谱 NR排列的光学实验装置示意图，此处的SCLS为超连续光源（supercontinuum light source），C1和C2为准直镜，LED为发光二极管，L1, L2, L3 为透镜，BS1 和 BS2为分束器， O1和 O2为显微物镜。粉红色和蓝色的虚线分别表示照明和成像光路。（c,d）规范化实验和模拟NR排列在L为不同值时的消光光谱。

来自中国西湖大学的纪永博士、法国勃艮第大学卡诺交叉学科实验室、巴西联邦研究院（巴伊亚）等单位合作进行了平面纳米技术用于制造用于精密控制尺寸、间隙和方向的2D表面等离子体光学亚稳表面，这样就可以实现等离子体模式的精确控制，这在以前其化学合成部件是不能手动合成处理的。这一最新成果发表在期刊《 Light: Science & Applications》上以题为：用于激光锁模的可饱和等离激元超表面（Saturable plasmonic metasurfaces for laser mode locking）进行了发表。于是，极化饱和吸收和非稳态表面的等离子体景观之间的连接可以实现量化。更为有趣的是，研究人员将饱和非稳态在光纤激光腔结构中得以实现并获得了稳定的自启动超快激光脉冲的产生。为未来可调谐超短脉冲激光器和神经形态电路的实现提供了有效途径。

图4

图解：NR排列（a，d）的SEM照片（a-c）和励磁能量以及偏振相关非线性传输（d-f），纳米交叉排列（b，e）和纳米纳米环排列（c，f）。SEM照片中的标尺为200nm，（g）NR（红色）、纳米交叉（绿色）和纳米环（蓝色））之间调制深度的比较，两个柱状线表示两种极端条件下的结果，即最大（左边）和最小的值。

研究人员研究了不同等离子景象如纳米线、纳米交叉和纳米环等可饱和吸收器来产生超快激光脉冲。很显然，他们测量的可饱和吸收器如表面等离子体光学亚稳表面高达60%的调制深度。如此高的调制深度并不寻常，尤其是为了薄的亚稳态表面如：2D可饱和吸收器相互之间的比较表明公开报道的最大调制深度不超过11%，并且在相似的研究中对胶体金纳米棒的调制深度的报道，只有5%左右。一个典型的半导体可饱和吸收镜（SESAM (semiconductor saturable absorber mirror) ）可以进行调整的深度能够超过30%，但确实在一个相对比较厚的器件中获得的。

该项目的关键点就在于找到量化非线性吸收和特定等离子体模型之间的关系，这个可能只能通过平面纳米技术来制造表面等离子体光学亚稳表面来实现，如电子束蚀刻技术，而不是简单的采用旋转涂覆纳米微球的办法在光纤或将光纤浸入纳米粒子溶液中的办法。

通过融合表面等离子体光学亚稳表面和光纤激光器结构自由空间截面，研究人员最终实现了锁模激光操作的稳定的自启动。典型的单孤子脉冲的持续时间为729 fs，其信噪比可以达到75dB，这一噪音在射频域范围内。

研究团队不仅验证了金属纳米材料材料具有可饱和吸收以及更广泛的非线性光学吸收特性，这是半导体材料中的一个非常有名的现象。更为重要的是，这一结果显示了非线性等离激元学提供了一套现实可行、具有广阔市场前景其非常值得关注的应用方案。”

论文研究人员简介

王纪永，2017年获得德国图宾根大学、法国国家研究院-特鲁瓦科技大学双博士学位，2018年加入西湖大学仇旻讲席教授科研团队，从事微纳光子学、非线性光子学与超快光子学等交叉学科的研究。

Dr. Aurelien Coillet，法国勃艮第大学卡诺交叉学科实验室Matre de Conférence，主要从光波导非线性、光纤非线性动力学相关的研究。

Dr. Benoit Cluzel，法国勃艮第大学卡诺交叉学科实验室Matre de Conférence，主要从事微纳光子学与近场光学相关的研究。

Prof. Philippe Grelu，法国勃艮第大学卡诺交叉学科实验室光子学教授，主要从事光纤非线性动力学相关研究工作。

参考文献：

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

文章来源：

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