在激光加工技術(shù)領(lǐng)域，穩(wěn)定脈沖激光的產(chǎn)生始終是研究的核心方向之一。傳統(tǒng)方法通常通過將可飽和吸收體引入激光諧振腔以實現(xiàn)調(diào)Q或鎖模，但這類材料往往受限于厚度、插入損耗及響應(yīng)速度等關(guān)鍵指標(biāo)。近日，Sun等人在《Laser&PhotonicsReviews》發(fā)表的研究成果為該領(lǐng)域帶來了突破性進展——其團隊利用硅納米盤周期陣列的增強克爾效應(yīng)，實現(xiàn)了基于介質(zhì)超表面的被動調(diào)Q脈沖激光輸出，為超薄低損耗光學(xué)調(diào)制器的應(yīng)用拓展了全新路徑。

    一．超表面材料的演進：從金屬體系到介電體系
    傳統(tǒng)上，脈沖激光的產(chǎn)生多依賴于將金屬超表面作為可飽和吸收體引入激光諧振腔。金屬納米結(jié)構(gòu)可通過晶格共振增強局域場，從而提升調(diào)制深度并降低飽和強度，在脈沖激光產(chǎn)生中展現(xiàn)出一定潛力。然而，金屬材料固有的高損耗特性及不可避免的熱積累問題，嚴(yán)重制約了其在高功率、高穩(wěn)定性場景中的應(yīng)用。
    為突破上述局限，研究團隊將研究重心轉(zhuǎn)向介電超表面。由亞波長介電粒子構(gòu)成的此類結(jié)構(gòu)，具備低材料損耗、高損傷閾值及大非線性磁化率等顯著優(yōu)勢。更為關(guān)鍵的是，介電粒子的局域共振（如米氏共振）可顯著增強光與物質(zhì)的相互作用；當(dāng)粒子周期性排列形成耦合時，局域場強度可進一步提升，為非線性效應(yīng)的放大提供了理想平臺。
    本研究中選用的非晶硅納米盤是介電材料的典型代表：其線性折射率約為3.6，非線性折射率（克爾系數(shù)n?≈4.2×10?¹³cm²/W）為晶體硅的兩倍以上，且在1550nm波段的雙光子吸收系數(shù)極低。這一特性使得克爾效應(yīng)成為主導(dǎo)的非線性機制，為高效光學(xué)調(diào)制奠定了基礎(chǔ)。

    二．介電超表面的設(shè)計原理與調(diào)制機制
    研究團隊設(shè)計的介質(zhì)超表面由周期為1.05μm的硅納米盤陣列構(gòu)成（納米盤半徑300nm，高度210nm），附著于500μm厚的玻璃基板上。其核心工作原理在于利用納米盤的米氏共振與克爾效應(yīng)的協(xié)同作用：
    當(dāng)入射光激發(fā)納米盤時，晶胞的米氏共振會顯著增強硅材料的克爾效應(yīng)；反之，克爾效應(yīng)導(dǎo)致的折射率變化會使共振峰發(fā)生紅移，最終在工作波長（約1550nm）處形成顯著的透射調(diào)制。數(shù)值模擬與實驗結(jié)果均顯示，在中等激發(fā)功率下，該超表面的調(diào)制深度可穩(wěn)定超過3%，足以支撐脈沖激光的產(chǎn)生。
    為驗證設(shè)計的可行性，研究團隊采用等離子體增強化學(xué)氣相沉積技術(shù)，在玻璃基板上制備了210nm厚的非晶硅層，隨后通過電子束光刻與電感耦合等離子體刻蝕技術(shù)制備出面積為200μm×200μm的超表面樣品。掃描電子顯微鏡表征與光學(xué)測試結(jié)果表明，樣品的線性透射特性與模擬結(jié)果高度吻合；在1558nm超短脈沖激光激發(fā)下，透射率隨功率密度呈現(xiàn)顯著的非線性變化，進一步證實了克爾效應(yīng)主導(dǎo)的調(diào)制機制。

    三．被動調(diào)Q脈沖激光的實驗實現(xiàn)與特性
    研究團隊將制備的超表面作為自調(diào)制器引入自制環(huán)形光纖激光器腔中，成功實現(xiàn)了穩(wěn)定的被動調(diào)Q脈沖激光輸出。該激光腔由單模光纖拼接而成，總長度約8米，包含980nm泵浦源（最大輸出功率600mW）、0.5米長摻鉺光纖增益介質(zhì)、偏振控制器及偏振無關(guān)隔離器等關(guān)鍵組件。超表面通過空間光耦合方式接入光路，插入損耗約3dB（可優(yōu)化至2dB）。
    實驗結(jié)果表明：當(dāng)泵浦功率超過200mW時，激光系統(tǒng)進入調(diào)Q狀態(tài)；在600mW泵浦功率下，輸出脈沖的3dB寬度約為1.42μs，重復(fù)頻率達60kHz，光譜中心位于1555.6nm，半峰全寬為0.7nm。值得注意的是，移除超表面后系統(tǒng)僅能輸出連續(xù)波激光，證實了其作為光學(xué)自調(diào)制器的核心作用。
    與傳統(tǒng)可飽和吸收體相比，該介質(zhì)超表面的優(yōu)勢顯著：其一，厚度僅210nm，利于集成；其二，克爾效應(yīng)的響應(yīng)時間達飛秒級，遠(yuǎn)快于光熱效應(yīng)，可支持超高速調(diào)制；其三，通過優(yōu)化納米盤的多極共振耦合、晶格共振等參數(shù)，調(diào)制深度有望提升至40%，脈沖寬度或可縮短至皮秒甚至飛秒量級。

    四．應(yīng)用前景與研究意義
    本研究不僅驗證了介電超表面在脈沖激光產(chǎn)生中的可行性，更揭示了其靈活調(diào)控光傳播特性的巨大潛力。未來，結(jié)合超表面的相位調(diào)控能力，可實現(xiàn)脈沖激光渦旋等特殊空間分布；與超表面透鏡結(jié)合，有望替代傳統(tǒng)克爾透鏡，推動激光系統(tǒng)的微型化與集成化。
    對于硅光子系統(tǒng)而言，無需引入額外可飽和吸收材料，直接利用高折射率介電材料的非線性效應(yīng)實現(xiàn)脈沖調(diào)控，將顯著簡化集成光路設(shè)計。綜上，介電超表面增強的克爾自調(diào)制技術(shù)，為超薄、低損耗、高性能脈沖激光器件的研發(fā)提供了全新思路，有望在光通信、激光加工、生物成像等領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響。