澳大利亚团队实现全光控制超表面功能

Ziwei Yang 在实验室中。[图片：Ziwei Yang，澳大利亚国立大学 ARC 变革性超表面光学系统中心]

传统上，用于谐波产生和频率混频等非线性光学过程的超表面是静态的，这意味着其功能在制造完成后即被固定。相比之下，主动可调超表面能够在亚波长尺度上对光与物质相互作用进行动态控制。然而，传统的调谐方法——如热调谐、电调谐和机械驱动——存在固有局限性，包括速度不足或可扩展性差。

为此，一个国际研究团队开发了一种超薄超表面平台，利用液晶和光来同时调控线性与非线性响应（Sci. Adv.，doi：10.1126/sciadv.aeh0904）。该平台的全光控制有望为可重构非线性信号处理和自适应光子计算提供更大的灵活性。

一种非接触机制

鉴于非线性晶体成本高昂且微型化器件内部空间有限，超表面已成为非线性光学领域一种紧凑且多功能的平台。具备光学响应实时调制能力的主动可调超表面，已在动态光束偏转、聚焦、可编程全息和光学信息处理等应用中得到探索。

液晶非常适合这一用途，但超表面-液晶系统的可调性通常依赖外部控制机制，例如有线连接的电极。研究人员转而寻求一种非接触且可逆的调谐机制。

Yang 认为，该技术的一个可能应用方向是光学计算——具体而言，是光学神经网络。

“我们的问题是：光能否在无需接触电极的情况下直接调谐或编程超表面的功能？”该研究作者、澳大利亚国立大学 ARC（澳大利亚研究理事会）变革性超表面光学系统卓越中心的 Ziwei Yang 在随研究发布的一份新闻稿中表示。

光学神经网络

在这项研究中，Yang 及其同事构建了一种新型超表面-液晶系统，可通过光力矩调谐机制以非接触方式驱动。首先，他们将介质超表面封装在一个 Teflon 取向的液晶盒中，该液晶盒作为用于全光调谐的各向异性介质。在近红外飞秒泵浦激光施加电场后，液晶发生重新取向，转向平行于超表面平面的方向。

研究人员在在线性区域观察到明显的共振移动，并通过超表面产生的三次谐波对非线性响应实现了显著调制。Yang 认为，该技术的一个可能应用方向是光学计算——具体而言，是光学神经网络。

“目前，非线性层主要由电子学控制，”Yang 说，“如果我们能设法用光直接控制这一非线性层，未来它可能对光学神经网络有用。”