Ultrafast tuning of the focusing efficiency of a nonlinear atomically thin lens

光是我们将用来观察世界、捕捉图像和传输信息的工具。几个世纪以来，那些弯曲并聚焦光线的设备一直依赖于体积和重量。传统的玻璃透镜是厚实的、弯曲的材料块，它们占据空间，且难以缩小到足以放入驱动现代电子设备的微小芯片中。为了使光学系统更小、更快，科学家们转向了由微观图案构成的平面（被称为超构表面），这些表面可以在不需要沉重曲率的情况下引导光线。在这些设计中，一种被称为菲涅耳带板（Fresnel zone plate）的特定设计通过一系列同心圆环将光线集中到一个点上，从而起到透镜的作用。虽然这些平面透镜可以做得极其薄，但在历史上，它们一直是静态物体；一旦建成，其聚焦光线的能力就是固定的，改变其性能需要缓慢、笨重的机械调节或产生热量的电流。

一组研究人员现在展示了一种让这些超薄透镜变得活跃且具有响应性的方法，使其能够在不到一秒钟的极短时间内改变聚焦方式。他们用一层原子制造了一个透镜，这种材料如此薄，以至于它本质上是二维的，并且他们展示了如何利用第二束光来开启或关闭其聚焦能力。这一成就解决了该领域的一个长期问题：以往控制此类透镜的方法要么速度太慢，无法用于高速数据传输，要么强度太弱，无法产生显著的变化。通过利用这种原子材料的独特属性，研究人员实现了既快速又强力的聚焦效率调制，为无需运动部件即可即时重新配置的光学器件开辟了道路。

这项发现的核心透镜是由一种称为二硒化钨（tungsten diselenide）的材料制成的，它以仅一个原子厚的稳定薄层形式存在。研究人员将这一层材料加工成透镜形状，由二十二个同心圆环组成，结构宽度仅为一百微米。在自然状态下，这个透镜是透明的，并且不能很好地聚焦光线，因为材料太薄，大部分光线会直接穿过它。然而，这种材料具有一个特殊的属性：当受到特定颜色的光照射时，它可以产生一种频率正好是原频率两倍的新颜色光，这一过程被称为二次谐波产生（second-harmonic generation）。研究人员设计实验时，使透镜能够聚焦这种新生成的 light，而不是那些直接穿过的光。

为了测试该透镜，团队向其射入一束光，这导致原子层发射出第二束更高频率的光。他们测量了这束新光聚焦的位置，发现透镜成功地将光线集中在约两百微米处的一个点上。对于如此薄的材料而言，这种聚焦效率高得令人惊讶，证明了透镜按预期工作。真正的突破在于他们引入了第二束光作为控制开关。这束控制光经过调谐，用于激发原子层内的电子，从而有效地在极短时间内改变材料的光学特性。

当控制光击中透镜时，它导致电子发生重排，从而立即降低了材料产生和聚焦第二束光的能力。这种变化几乎是瞬间发生的，时间尺度以皮秒（picosecond）计，即一万亿分之一秒。研究人员观察到，当控制光处于激活状态时，聚焦光的强度下降了近百分之三十。考虑到控制光相对较弱，每平方厘米仅需不到十微焦耳的能量，这一变化是非常显著的。相比之下，当他们尝试使用相同的控制光但在没有特殊倍频效应的情况下调制透镜时，焦点的变化小于百分之一，这表明新方法要有效得多。

这种切换速度取决于材料中的激发电子恢复到静止状态的速度。研究人员测量了这种恢复时间，发现透镜在大约十皮秒内恢复到原始状态。这种速度比以往依赖电力或热量来调节透镜的方法快了数个数量级，后者通常需要毫秒级的响应时间。这种能够如此快速地开启和关闭透镜的能力，表明这些设备可以用于未来需要快速调整的技术，例如为通信引导激光束或为计算创建超快光学开关。

这项研究证实，通过将原子材料的极端薄度与非线性光产生物理学相结合，可以创造出不仅体积微小而且具有动态可控性的光学组件。研究人员不仅观察到了理论上的可能性；他们制造了设备，测量了光线，并验证了响应时间。他们证明了可以通过一个极快的机制实现大幅度的透镜调节。这项工作建立了一个全新的主动纳米光子学平台，在此平台上，光的焦点可以用与驱动现代世界的电子信号同样快速且精准的方式进行操控，但使用的是光本身作为控制机制。