近日，国科大杭州高等研究院物理与光电工程学院陈效双工作室提出了一种基于石墨烯复合超表面的热电子驱动超快光偏振转换。相关成果以:“Hot-Electron Driven Ultrafast Optical Polarization Conversion with Graphene-Loaded Metasurface”为题，并作为封面文章发表于中国科学院一区期刊 Laser&Photonics reviews上。通过激发石墨烯超表面中的热电子，研究团队证明了亚皮秒时间量级的超快光偏振调控，其调控范围覆盖整个庞加莱球表面，在此基础上四种全光逻辑计算可以在单个器件上同时实现，表明其在芯片级可编程全光信号处理中的巨大潜力。
中国科学院一区期刊
偏振是光除了强度（振幅）、波长（频率）、相位以外的重要物理特性之一，反应了光在传播过程中光波振动方向随时间的变化规律。对于光的偏振调控在成像显示、光信息存储、量子信息通讯等领域有非常广泛的应用。传统的偏振调控方法依赖于双折射晶体或者液晶组成的宏观光学元件，但这些元件的体积较大，不利于器件的集成。超构表面能在亚波长的厚度范围内对光场的振幅、相位、偏振等特性施加灵活、大幅度的调制，为光谱、偏振、深度信息感知的微型化、集成化提供了新的机会。然而目前所提出的大部分偏振调控超表面存在调控速度慢（GHz）、工作波长窄、调控范围小等问题。为了解决上述的问题，团队提出了一种基于石墨烯复合超表面的超快全光偏振调控方法。利用飞秒激光泵浦该复合结构，实现对石墨烯热电子的激发，使得电子的温度远远高于晶格温度，能量弛豫（冷却）过程导致载流子和声子系统达到准平衡态。通过模拟计算，在0.33Jm−2的光能量下，在104fs时间内，热电子的温度可达4800K，实现对石墨烯光学常数的快速调制（RPA理论），进而实现了对反射光偏振态在整个庞加莱球上的飞秒量级的切换。此外，金属超结构的引入，极大的增强了光与物质的相互作用，使得所提出复合结构，在中红外波段，在0.33Jm−2的低泵浦能量下，偏振态可在104fs时间尺度内，实现LCP到RCP的连续演变。与此同时，利用探测光自身的相位差和泵浦光的功率作为输入信号，反射光的斯托克斯参数作为输出信号，可在同一器件中，实现光学“与”、“或”、“与非”和“异或”逻辑门运算，表明了该器件有望为下一代光通信和光计算奠定基础。
图1：超快光偏振调控原理示意图
图2：中红外光偏振态的调制范围示意图:(a)调控光的斯托克斯参量随着石墨烯电子温度变的关系示意图。(b)相应的反射光偏振态在庞加莱球上的示意图(c)不同波长下反射光的偏振态随着时间延迟的函数关系图，实（虚）线对应于右（左）手性。（d）不同泵浦光功率下，石墨烯的电子温度（Te）和声子温度（To）随着时间变化的函数关系图。（e）不同泵浦光功率下，所能达到的最大椭圆角（上图）和方位角（下图）。
国科大杭高院为该工作的第一完成单位。杭高院陈效双课题组硕士研究生徐雷君为论文第一作者。唐伟伟副研究员、李冠海研究员、陈效双研究员和西湖大学仇旻教授为该论文共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、上海市科委、杭高院自主立项科研项目等经费支持。
论文引用：L. Xu, J. He, W. Tang, C. Yang, L. Han, L. Zhang, H. Zhu, S. Liu, C. Liu, M. Qiu, G. Li, X. Chen, Hot-Electron Driven Ultrafast Optical Polarization Conversion with Graphene-Loaded Metasurface. Laser Photonics Rev 2024, 18, 2300643.
原文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.202300643
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