Oprettelse af en bredbåndsdiffraktiv grafen orbital vinkelmomentum metalens ved laser nanoprinting

Optiske stråler, der bærer orbital vinkelmoment (OAM) tiltrækker udbredt opmærksomhed og spiller en vigtig rolle i optisk datalagring, optisk kommunikation, kvanteinformationsbehandling, superopløsningsbilleddannelse og optisk fangst og manipulation. Imidlertid begrænser det omfangsrige volumen og de komplekse systemer i de konventionelle OAM-strålegeneratorer deres anvendelser i integrerede og miniaturiserede optiske eller fotoniske enheder.

I en undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Ultrafast Science , Cao og kolleger brugte ultrahurtig laser-nanoprintmetode til at fremstille enkelte ultratynde (200nm) grafen-metalenses, som integrerer OAM-generering og højopløsningsfokuseringsfunktioner i en bred båndbredde. Bredbåndsgrafen OAM-matalenses forventes at blive brugt bredt i miniaturiserede og integrerede fotoniske enheder aktiveret af OAM-stråler.

Nye metoder baseret på periodisk arrangerede 2-dimensionelle nanostrukturer, nemlig metasurfaces, har vist sig nyttige til at opnå ultratynde og integrerbare OAM-strålegeneratorer til højkvalitets OAM-stråler. Traditionelle bredbånds-metasurface-linser kræver dog generelt tidskrævende behandling og komplekse iterative designmetoder for at opnå nøjagtig bølgefrontkontrol. Til sammenligning er graphene metalenses med enkle design muliggjort af en et-trins laser nanoprinting.

Grafenmaterialer kan samtidigt manipulere amplituden og fasen af ​​en lysstråle, hvilket tillader høj fleksibilitet og nøjagtighed i linsedesignet for at opnå den ønskede brændpunktsintensitetsfordeling. For nylig har Cao et al. realiseret en ny graphene metalens, der kan fokusere bredbånds OAM-stråler ved ultrahurtig laser nanoprinting.

En metode baseret på omvejsfaseteknikken og unikke optiske egenskaber af grafenoxid blev udviklet til at designe grafen OAM metalenses, som uafhængigt kan kontrollere fokusegenskaberne og den topologiske ladning af OAM på samme tid. Bredbåndsevnen af ​​grafen OAM metalens blev demonstreret ved at fokusere optiske lysstråler ved forskellige bølgelængder.

De eksperimentelle fokuseringsintensitetsfordelinger reproducerede næsten de teoretiske forudsigelser ved hjælp af Rayleigh-Sommerfeld diffraktionsteorien. De demonstrerede ultratynde graphene metalenses gav en enkel og omkostningseffektiv tilgang til at opnå højintegreret og højopløsnings OAM-strålefokusering. De vil finde brede anvendelser inden for optisk stråle- og partikelmanipulation, datalagring, kvanteinformationsbehandling og modemultiplekskommunikation i integrerede fotoniske enheder.

De resulterende graphene metalenses er lovende til brede applikationer i integrerede optiske og fotoniske enheder ved hjælp af OAM-stråler. Til disse applikationer ønskes en mindre diameter af den doughnutformede plet. De metoder, der forbedrer fremstillingen, øger metalens størrelse eller bruger andre 2D-materialer med højere brydningsindekskontrast, er mulige til at reducere den doughnutformede pletstørrelse til en vis grad.

Dog følger minimumsdiameteren af ​​den doughnut-formede plet af grafen OAM metalens diffraktionsgrænsen. For yderligere at reducere pletstørrelsen bør den nye teori foreslås, måske er kombinationen af ​​superoscillationsmetaller og spiralfasebelastning en af ​​de mulige metoder.

Flere oplysninger: Guiyuan Cao et al., Broadband Diffractive Graphene Orbital Angular Momentum Metalens by Laser Nanoprinting, Ultrafast Science (2023). DOI:10.34133/ultrafastscience.0018

Leveret af Ultrafast Science