2026年9月3日，国际光学领域权威期刊《Laser & Photonics Reviews》以《Broadband Ultrafast Polarization Switching in ZnO With Distortion-Free Waveform Preservation》为题，在线发表了陆培祥教授领导的“强场超快光学”创新研究群体在超快全光偏振调控方面的最新研究成果。团队在氧化锌（ZnO）晶体中实现了约100飞秒的偏振切换速度、覆盖600-880 nm的宽带工作范围，并在切换过程中保持光脉冲波形无失真，为突破电子驱动调制器的速度瓶颈提供了全新方案。博士生何伟为论文的第一作者，李亮教授、徐露教授和兰鹏飞教授为论文通讯作者。
光的偏振态是经典光通信中的核心信息自由度，也是量子信息处理的重要调控维度；超快偏振控制对于揭示材料的手性与各向异性光学响应、实现复杂偏振编码应用都至关重要。然而，传统电光、磁光器件虽然本征响应速度可达到太赫兹（THz）量级，实际切换速度却被宏观驱动电路的电容延迟和载流子迁移率限制在吉赫兹（GHz）量级，难以满足未来THz乃至拍赫兹（PHz）信息处理的需求。已有的全光偏振调控方案虽然避免了电子学瓶颈，但大多依赖载流子弛豫或共振模式移动，速度普遍停留在亚皮秒量级，且难以兼顾宽带工作。因此，如何在单一器件中同时实现飞秒速度、宽带响应和大调制深度，一直是该领域亟待解决的难题。
图1：全光偏振调控实验原理示意图。2200 nm、80 fs强泵浦脉冲与800 nm、55 fs弱探测脉冲聚焦于ZnO晶体，泵浦偏振方向与晶体光轴平行，探测偏振方向与光轴成45°；强泵浦在晶体中诱导瞬态双折射，另一块ZnO晶体用于补偿固有双折射，输出光的偏振态由偏振片和CCD记录。
针对这一挑战，课题组在前期强场非线性效应的研究基础上[PRL 128, 027401(2022) ;PRL 134, 223801(2025)]，进一步提出并实现了一种强场诱导ZnO晶体瞬态双折射的全光偏振调控方法。与依赖载流子弛豫的常见机制不同，该方案中材料的响应仅由泵浦脉冲宽度决定，不依赖材料本征弛豫，从原理上消除了“调制深度-响应速度”的传统矛盾。进一步地，研究团队利用泵浦与探测脉冲在ZnO晶体中传播时产生的群速度失配效应，构造出约200飞秒宽的“平顶”响应窗口，使整个探测脉冲在时域内获得均匀一致的相位调制，避免了一般高斯型瞬态响应造成的波形压缩、啁啾和畸变。琼斯矩阵分析表明，泵浦作用下的ZnO晶体可视为纯双折射波片：在低于0.13 TW/cm²的泵浦强度范围内晶体损耗极小且无损伤，随着泵浦强度增加，探测光依次从线偏振演化为椭圆偏振、圆偏振，直至实现正交线偏振翻转。
在实验上，团队演示了两种飞秒全光器件。当泵浦强度约为0.074 TW/cm²、引入约π/2相位延迟时，器件作为全光四分之一波片工作，可将线偏振光快速切换为圆偏振光，偏振态变化的上升/下降时间仅116飞秒，可用于飞秒尺度生成或编码圆偏振量子比特。当泵浦强度提高到约0.12 TW/cm²、相位延迟接近2.5 rad时，同一装置作为全光半波片/偏振开关工作，可实现正交线偏振以及相反旋性圆偏振之间的切换，最大调制深度达88%，开启效率77%，上升/下降时间104.5飞秒。为验证宽带性能，团队进一步将探测光扩展为覆盖600-900 nm的少周期脉冲，并利用琼斯矩阵逐波长提取相位延迟：在600-880 nm范围内，四分之一波片模式的相位延迟围绕π/2的波动仅为8.6%，半波片模式的相位波动为11.7%；实验重建的少周期脉冲时域波形与理想宽带波片作用后的结果高度重合，证明波形得到了高保真保持。
图2：全光四分之一和近二分之一波片效果演示。（a）在泵浦光强度为0.074\ TW/cm^2的条件下，不同泵浦-探测延时下探测光偏振态的演化规律。红色实线为实验数据的拟合曲线，插图为不同泵浦时刻探测脉冲的偏振态。（b）泵浦光强度为0.12\ TW/cm^2时，实测信号随泵浦-探测延时的变化关系。
与已有基于AlGaAs纳米线超表面、氧化镉完美吸收体、等离激元金纳米棒阵列等材料的全光偏振调控方案相比，本工作约100飞秒的切换速度已达到同类报道的最快水平，并较部分方案快一个数量级以上；88%的调制深度与最优水平相当；280 nm的工作带宽则明显优于依赖共振效应、只能窄带工作的超表面器件。更重要的是，由于该机制不受材料本征弛豫限制，超快偏振控制不再以牺牲调制深度或波形保真度为代价。这项工作将超快光子学从单纯的光强调制拓展到对整个光矢量场的飞秒级控制，为超快光子回路、高速光通信、全光路由与逻辑运算、量子态操控以及阿秒科学研究提供了重要器件基础；结合高约束波导、微腔等纳米光子结构，有望进一步推动低功耗、超高速全光信息处理技术的发展。
该研究得到了国家自然科学基金青年项目（B类）、面上项目和国家重点研发计划等项目的资助。
