超表面在操纵光的振幅、相位或偏振方面用途广泛。在过去的十年中，超表面已被提议用于广泛的应用——从成像和全息到复杂光场图案的生成。然而，迄今为止开发的大多数光学超表面都是孤立的光学元件，只能与外部光源一起使用。
尽管它们在空间上操纵光场具有多功能性，但大多数超表面只有固定的、不变的响应，并且控制光场的时间形状的能力有限。为了克服这些限制，研究人员正在研究使用非线性超表面进行时空光场调制的方法。然而，大多数用于构建超表面的材料本身具有相对有限的非线性光学响应。
超表面材料有限非线性的一种解决方案是近场耦合到具有极大光学非线性的介质。Epsilon-near-Zero(ENZ)材料是一类介电常数消失的新兴材料，近年来引起了广泛关注。例如，氧化铟锡(ITO)是一种导电金属氧化物，广泛用于太阳能电池和消费电子产品中的透明电极，在近红外状态下的介电常数通常超过零。
线性折射率接近于零的ENZ材料具有极大的非线性折射率和非线性吸收系数。
据Advanced Photonics报道，清华大学和中国科学院的研究人员最近通过将ENZ材料直接结合到光纤激光腔中的超表面，产生了具有定制时空轮廓的激光脉冲。
研究人员使用由空间不均匀各向异性金属纳米天线制成的超表面的几何相位来定制输出激光束的横向模式。ENZ耦合系统的巨大非线性饱和吸收允许通过Q开关工艺产生脉冲激光。为了提供原型，研究人员实现了具有不同拓扑电荷的微秒脉冲涡旋激光器。
这项工作提供了一种新途径，以紧凑的形式构建具有定制时空模式剖面的激光器。为了进一步实现系统小型化，可以将超表面集成在光纤端面上。
据通讯作者、清华大学精密测量技术与仪器国家重点实验室教授杨元木介绍，“我们希望我们的工作能够进一步探索空间光场操纵的超表面多功能性，其巨大且可定制的非线性可生成具有任意空间和时间轮廓的激光束。
Yang指出，这种创新方法可能为下一代微型脉冲激光源铺平道路，可用于各种应用，如光捕获，高密度光学存储，超分辨率成像和3D激光光刻。