Een nieuwe publicatie van Opto-Electronic Advances bespreekt spatiotemporele manipulatie van femtoseconde lichtpulsen voor on-chip apparaten.

Met de ontwikkeling van sterk geïntegreerde nanofotonische apparaten zijn onderzoekers begonnen met het nastreven van nieuwe methoden voor het flexibel manipuleren van de on-chip lichtsignalen op zowel extreem kleine ruimtelijke schaal (bijv. nanometer) als ultrasnelle temporele schaal (bijv. femtoseconde). De controle van optische signalen op nanometer- en femtosecondeschalen biedt niet alleen fundamentele inzichten in de ultrasnelle dynamiek van de interactie tussen licht en materie, maar biedt ook een effectief platform voor zeer efficiënte ultrasnelle signaalverwerking in geïntegreerde nanofotonische apparaten, en optische detectie en beeldvorming met super-ruimtelijke-temporele resolutie. Onderzoek naar spatiotemporele lichtveldmanipulatie is dus van groot belang en kan op grote schaal worden toegepast op het gebied van fotonische circuits, fotonische informatieverwerking, kwantuminformatieverwerking, neuromorfe computing en kunstmatige intelligentie, en ultrasnelle optische golffrontmeting.

Voor de ruimtelijke modulatie van licht op nanoschaal zijn de afgelopen jaren enkele nieuwe optische apparaten zoals metamaterialen en meta-oppervlakken snel ontwikkeld om het gedrag van het optische veld op micro- en nanoschaal nauwkeurig te regelen. De voortplanting van optische signalen kan bijvoorbeeld worden gemoduleerd naar een gebogen traject als de Airy-straal. Voor de modulatie in het tijdsdomein hebben de traditionele methoden, waaronder dynamisch gestuurde apparatuur (zoals SLM) of actief gestuurde materialen (zoals elektro-optische materialen), last van de beperkte responstijd van materialen en zijn ze niet geschikt voor ultrasnelle modulatie van femtoseconde licht pulsen.

Onlangs, met de ontwikkeling van pulsvormende technologie, is frequentiedomeinmodulatie geleidelijk het belangrijkste middel geworden voor ultrasnelle modulatie op femtosecondepulsen. Door de frequentiedomeinmodulatiemethode te combineren met de ontworpen micro-/nanostructuren, wordt verwacht dat het de lichtveldgeneratie en -manipulatie zal bereiken op zowel nanometer- als femtosecondeschalen, waardoor veel nieuwe ruimte-tijdelijke lichtvelden worden gecreëerd en nieuwe toepassingen worden uitgebreid.

De auteurs van dit artikel stellen een nieuwe methode voor om de on-chip voortplanting van een femtoseconde lichtpuls te manipuleren op basis van de spatiotemporele Fourier-transformatie (FT). Door de frequentiedomeinmodulatiemethode te combineren met de ruimtelijke modulatiemethode, ontdekten ze dat de ruimtelijke verdeling van het lichtveld kan worden geregeld door het ruimtelijke domein FT te reguleren met een on-chip nanofocusstructuur, en de ultrasnelle golffrontvorming van femtosecondepulsen in het tijdsdomein kan worden gerealiseerd door de temporele FT aan te passen met het dispersie-effect van licht. Ten slotte kan de spatiotemporele FT worden gesynchroniseerd om de voortplantingseigenschappen op de chip van femtoseconde-pulsen in het tijd-ruimtedomein te manipuleren.

Om deze spatiotemporele FT-methode voor on-chip-apparaten te demonstreren, kozen ze als voorbeeld oppervlakteplasmonpolaritonen (SPP) die op een metalen oppervlak werden geëxciteerd, en bestudeerden ze de modulatieprestaties op de geëxciteerde femtoseconde SPP-pulsen. Met het vermogen om de optische diffractielimiet te doorbreken, zijn SPP's op grote schaal gebruikt in nanofotonische apparaten voor een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder optische opslag, optische detectie, optische pincetten en Raman-verstrooiing. Naast ruimtelijke resoluties op nanoschaal, maken SPP-pulsen die door een femtoseconde laser worden gegenereerd, temporele resoluties op femtosecondeschaal mogelijk, waardoor een onderzoeksplatform wordt geboden voor de manipulatie van lichtvelden en de interactie van licht en materie op extreem kleine spatiotemporele schalen.

Met de voorgestelde spatiotemporele FT-modulatiemethode hebben ze theoretisch enkele buitengewone spatio-temporele modulatie-effecten op de femtoseconde SPP-pulsen aangetoond. Een conventionele ruimtelijke SPP-focus kan bijvoorbeeld geleidelijk in een ringvorm worden gebogen en de voortplantingsrichting van een gebogen SPP-Airy-straal kan op bepaalde momenten worden omgekeerd om een ​​S-vormig pad te creëren. Vergeleken met conventionele modulatie van SPP's in zowel het ruimte- als het tijddomein, biedt de voorgestelde methode potentieel een verscheidenheid aan nieuwe effecten in SPP-modulatie, vooral geassocieerd met het temporele domein, waardoor de mate van vrijheid van optische modulatie wordt verbeterd en een nieuw platform wordt geboden voor on- chip spatiotemporele manipulatie van optische pulsen met toepassingen zoals ultrasnelle on-chip fotonische informatieverwerking, ultrasnelle puls/straalvorming, en optisch computergebruik. + Verder verkennen

Ultrasnelle multitarget-besturing van strak gefocuste lichtvelden