时空相位调制的超表面使光只向一个方向反射

时间:2020-01-01 20:00 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

时空相位调制的超表面使光只向一个方向反射

光的传播通常是相互的,也就是说光在一个方向上的传播轨迹与在相反方向上的传播轨迹是相同的。打破互反可以使光只向一个方向传播。支撑这种单向光流的光学元件,例如隔离器和循环器,是许多现代激光和通信系统中不可缺少的构件。它们目前几乎完全基于磁光效应,使得这些设备体积庞大,难以集成。在许多光学应用中,实现非互易光传播的无磁光路是非常必要的。

最近,科学家们开发了一种新型的光元表面,它将空间和时间的相位调制施加在反射光上,导致光的前进和后退传播的路径不同。首次用这种超薄元件在光学频率上实现了自由空间中光的非互反传播。

这是第一个具有可控超快时变特性的光学元表面,它能够在没有大容量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助理教授倪兴杰说。研究结果发表在本周的《科学与应用》杂志上。

超薄的超表面由一个银色的反光板组成,它支撑着具有大非线性克尔指数的块状硅纳米天线,在近红外波长约860 nm处。利用频率间隔较近的两条激光线之间的外差干涉,在纳米天线上产生高效的行波折射率调制,实现了约2.8 THz的超快时空相位调制。这种动态调制技术在调整空间和时间调制频率方面表现出极大的灵活性。在150 nm的亚波长相互作用长度范围内,实验实现了前后光传播的完全不对称反射,带宽约为5.77 THz。

时空元表面反射的光在空间相位梯度的作用下产生动量位移,在时间调制的作用下产生频率位移。它显示出非对称的光子转换之间的正向和反向反射。此外,利用由元表面几何提供的单向动量传递,可以通过设计一个不希望的输出状态位于禁止区域,即非传播区域,自由地控制选择性光子转换。

这种方法在控制光的动量和能量空间方面表现出良好的灵活性。它将为探索由时变材料特性产生的有趣物理现象提供一个新的平台,并将为开发可伸缩、可积、无磁的非互易器件开辟一个新的范式。

参考文献:“时空相位调制的非互反超表面”郭雪雪、丁一民、姚端、倪兴杰,2019年12月18日,《光:科学与科学》应用程序。

DOI: 10.1038 / s41377 - 019 - 0225 - z

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