[發(fā)明專利]手性超材料的圓偏振激光器

有效

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• 申請日: 2021-05-27
• 公開（公告）號: CN113381277B
• 公開（公告）日: 2022-11-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 史金輝;秦春花;董國華;李玉祥;朱正;關(guān)春穎
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類號: H01S3/08
• 分類號: H01S3/08;H01S3/10;H01S3/101;H01S3/105;H01S5/06;H01S5/10
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本發(fā)明提供了一種手性超材料的圓偏振激光器，屬于激光和電磁超材料領(lǐng)域。包括增益介質(zhì)和諧振腔。增益介質(zhì)為固體，位于諧振腔內(nèi)；諧振腔，包括兩個手性保偏超表面反射鏡，手性保偏反射鏡是包含由金屬底板、介質(zhì)襯底和金屬陣列的手性超材料，金屬陣列結(jié)構(gòu)覆于介質(zhì)襯底上。線偏振泵浦光從一個手性保偏超表面反射鏡后向進(jìn)入諧振腔，借助手性保偏超表面反射鏡的圓偏振選擇特性，僅單一圓偏振光能在兩個手性反射鏡之間多次反射，通過增益介質(zhì)實(shí)現(xiàn)圓偏振光的相干加強(qiáng)，超過增益介質(zhì)閾值后輸出圓偏振激光。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及激光和電磁超材料領(lǐng)域，具體涉及一種手性超材料的圓偏振激光器。

背景技術(shù)

激光因其高工作效率，高亮度，高單色性以及高方向性的獨(dú)特優(yōu)勢，在材料加工、測量控制、醫(yī)療診斷等應(yīng)用中起到了重要作用，目前已成為研究熱點(diǎn)。固體激光器、液體激光器和氣體激光器以及可調(diào)諧激光器等被廣泛應(yīng)用于通信、測距等多個方面。圓偏振激光因圓偏振光具有旋轉(zhuǎn)對稱性且在系統(tǒng)傳輸過程中幾乎不變，且適宜于通信領(lǐng)域故而吸引了研究人員的注意。在目前的偏振激光器中，偏振激光主要利用諧振腔、增益介質(zhì)、泵浦源來實(shí)現(xiàn)，但諧振腔具有諸如尺寸大、效率低、體積笨重而難操作等缺陷。由此，高效體積小集成度高的偏振激光器的需求日益增加。

超表面是由人工設(shè)計的諧振單元排列而成的超材料的二維形式，可以用來調(diào)控電磁波的傳輸特性。對人工設(shè)計諧振單元精密設(shè)計，超表面可以產(chǎn)生許多新穎的光學(xué)現(xiàn)象，如渦旋光、圓二色性現(xiàn)象、自旋霍爾效應(yīng)、表面波等。當(dāng)改變諧振單元結(jié)構(gòu)時，超表面的傳輸、色散、耦合效應(yīng)等都將產(chǎn)生重大的變化。超表面與光場相互作用，能夠?qū)崿F(xiàn)對光傳播進(jìn)行主動操控。超表面在開發(fā)小型化的多功能光子器件方面具有明顯的優(yōu)勢，由此受到了研究者們越來越多的關(guān)注。

手性的通常意義是指物體的鏡像不能通過簡單地平移、旋轉(zhuǎn)與物體重合，它廣泛存在于自然界，比如分子、蛋白質(zhì)、晶體等。在超材料領(lǐng)域中，手性這一特征可引起強(qiáng)旋光性和圓二色性等特殊現(xiàn)象。近年來，手性超材料因其比天然材料具有更強(qiáng)的手性光學(xué)作用而引起了廣泛的關(guān)注。因此，研究者在實(shí)現(xiàn)寬帶圓偏振器、非對稱傳輸以及傳輸型自旋選擇吸收器等方面有大量研究。

近年來，偏振激光器被廣泛用于傳感、測量等方面。目前，基于手性超材料的自旋選擇反射鏡已在微波段實(shí)現(xiàn)(App.Phys.Lett.,2017,110(23):231103)。該手性超材料反射鏡可以實(shí)現(xiàn)右旋圓偏振光的高反射和左旋圓偏振光的高吸收。另外，科學(xué)家研究基于超材料的圓偏振光光束整形，(Adv.Opt.Mater.,2014,2，978-982)，實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了一種用于可見光和近紅外光的超薄、寬帶光束整形器件。

2008年，英國南安普頓大學(xué)Prof.Zheludev課題組提出用二維排列的相干超材料實(shí)現(xiàn)等離激元的增益放大，如圖9所示。器件由一個增益介質(zhì)板、周期排列的非對稱金屬分裂環(huán)形諧振器組成。非對稱金屬分裂環(huán)能夠被激發(fā)出反對稱的電流分布，這種電流分布產(chǎn)生的電、磁偶極子的輻射在空間發(fā)生相消現(xiàn)象，因此該二維陣列超構(gòu)材料能夠支持高Q值的電磁諧振，具有相干性，在增益介質(zhì)中能夠產(chǎn)生空間和時間相干的表面等離激元輻射。

2020年，哈工大(深圳)宋清海教授團(tuán)隊(duì)在超快調(diào)制微激光器領(lǐng)域取得重要突破(Science,2020,367,1018-1021)，提出的全光開關(guān)新原理，有望突破超短切換時間與超低能耗之間的矛盾。他們研究了拓?fù)浔Ｗo(hù)BIC的光開關(guān)機(jī)理，保證了微型激光從徑向極化的環(huán)形光束到線性極化的旁瓣光的相互超快切換。BIC的極高品質(zhì)因子能顯著降低激光閾值，從而突破傳統(tǒng)全光開關(guān)的瓶頸。

圓偏振激光對光學(xué)檢測、光學(xué)成像等領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義，有著良好的應(yīng)用前景。然而，基于超構(gòu)材料的圓偏振激光器仍然是亟待解決的技術(shù)難題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種輸出光強(qiáng)、體積小的基于手性超材料的圓偏振激光器。

本發(fā)明的目是這樣實(shí)現(xiàn)的：