超構表面（Metasurfaces）在調控光的振幅、相位或偏振方面具有很高的通用性。過去十年來，從成像、全息到復雜光場圖案的生成，超構表面正在廣泛的領域探索應用機遇。不過，目前開發的大多數光學超構表面都是獨立的光學元件，需要使用外部光源一起工作。

利用強耦合介電常數近零材料的超構表面進行腔內時空調控

盡管超構表面在空間光場調控方面具有多功能性，但它們大多數只有固定的、時不變響應，并且控制光場時間形狀的能力有限。為了克服這些限制，研究人員正在研究利用非線性超構表面進行時空光場調控的方法。然而，大多數用于構建超構表面的材料本身僅具有相對有限的非線性光學響應。

近場耦合具有極高非線性光學響應的介質是解決上述問題的方案之一。介電常數近零材料（ENZ）是一類新興的介電常數幾乎為零的材料，近年來備受關注。例如，氧化銦錫（ITO）是一種導電金屬氧化物，廣泛用作太陽能電池和消費電子產品中的透明電極，在近紅外區域通常具有超過零的介電常數。介電常數近零材料的線性折射率接近零，具有極高的非線性折射率和非線性吸收系數。

據麥姆斯咨詢報道，清華大學和中國科學院的研究人員近期在Advanced Photonics期刊發表了一篇題為“Intracavity spatiotemporal metasurfaces”的論文，通過在光纖激光腔中將介電常數近零材料直接耦合超構表面，產生了具有定制時空輪廓的激光脈沖。

研究人員利用由空間不均勻各向異性金屬納米天線制成的超構表面的幾何相位來調整輸出激光束的橫模。介電常數近零材料耦合系統的巨大非線性可飽和吸收，可以通過Q-switching過程產生脈沖激光。為了提供原型驗證，研究人員構建了一種具有不同拓撲電荷的微秒脈沖渦旋激光器。

腔內時空調控

這項研究工作為以緊湊的尺寸構建具有定制時空模式輪廓的激光器提供了一條新途徑。為了進一步實現系統小型化，可以將超構表面集成在光纖端面上。該論文通訊作者、清華大學精密測試技術與儀器國家重點實驗室楊原牧副教授表示：“我們希望這項研究可以進一步探索用于空間光場調控的超構表面多功能性，其巨大且可定制的非線性可用于產生任意時空輪廓的激光束。這種創新方法有望為下一代微型脈沖激光源鋪平道路，可用于光捕獲、高密度光存儲、超分辨率成像以及3D激光光刻等多種應用。”

審核編輯：劉清