基于非线性干涉测量的超表面全光自由空间上转换光路由

全光调制带来了高速信息处理的前景。在此框架下，超表面正迅速成为用于光管理的超薄多功能平台。在其特色功能中，它们能够实现光波前调控，且近来展示了通过非线性光学过程执行光控光的能力。此处，我们通过采用非线性周期性超表面，演示了将通信波段光子上转换至可见光波段的全光路由。这是通过两个频率简并的上转换过程——即三次谐波与和频产生——之间的干涉实现的，这两个过程源于泵浦脉冲与其倍频副本的相互作用。通过调节两泵浦光束间的相对相位与偏振，并同时设计超表面单个单元（meta-atoms）的非线性发射及其周期间距，我们将上转换信号在超表面的衍射级次间进行路由，调制效率高达 90%。得益于相位控制及底层非线性过程的超快动力学，自由空间全光路由有望以接近所用光学频率除以相关光学谐振品质因子的速率执行。我们的方法为光学干涉测量增添了新维度，而后者是广泛应用中的关键使能技术，如零差探测、雷达干涉测量、LiDAR 技术、引力波探测与分子光度术。特别是，光上转换的非线性特征结合相位敏感性，对于增强成像与生物传感极具吸引力。