Wetenschap
Voortplantingsdimensies van licht:het vervormen van veelzijdige niet-diffractieve bundels langs het optische traject
De diffractie van licht is een alomtegenwoordig fenomeen in de natuur waarbij golven zich verspreiden terwijl ze zich voortplanten. Deze verspreiding van lichtstralen tijdens de voortplanting beperkt de efficiënte overdracht van energie en informatie. Daarom hebben wetenschappers geprobeerd diffractie-effecten te onderdrukken om de vorm en richting van de lichtstralen beter te behouden.
De afgelopen decennia zijn er belangrijke doorbraken geweest in het beheersen van de structuur van licht. In 1979 voorspelden Berry en collega's bijvoorbeeld een soort speciale straal, Airy-balken (AB's) genaamd, die zelfversnelling en zelfbuiging vertonen zonder diffractie. En in 1987 realiseerde J. Durnin Bessel-balken (BB's), een speciale oplossing voor de golfvergelijking die diffractie kan onderdrukken. Deze ontdekkingen hebben zowel de fundamentele optica als toepassingen enorm verbeterd.
Apparaten voor het moduleren van niet-verstrooiende lichtvelden zijn echter doorgaans omvangrijk geweest en hebben beperkingen zoals een lage resolutie en problemen met het coderen van het faseprofiel. De ontwikkeling van metasurfaces heeft nieuwe veranderingen met zich meegebracht, waarbij gebruik wordt gemaakt van de precieze opstelling van antenne-arrays op nanoschaal om optische apparaten te miniaturiseren en multidimensionale controle van lichtvelden te bereiken door hun dubbele breking. Deze technologie wordt beschouwd als een sleutelfactor voor de ontwikkeling van fotonische geïntegreerde platforms van de volgende generatie.
De laatste tijd heeft ons team vooruitgang geboekt op dit gebied. We hebben met succes het niet-diffracterende lichtveld langs het voortplantingspad gereconstrueerd, waarbij we de natuurlijke transformatie van circulair Airy-bundels (CAB's) in BB's hebben waargenomen na het voortplanten over een afstand.
Dit onderzoek werd mogelijk gemaakt door ons voorgestelde mechanisme van gezamenlijke lokaal-globale fasecontrole, waardoor we niet alleen de radiale fasegradiënt kunnen moduleren, maar ook de codering van complexere, niet-diffracterende optische velden kunnen vergemakkelijken. Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift Laser &Photonics Reviews .
We hebben het 2D-probleem ontleed in de integratie van 1D-fasefuncties en de superpositie van 2D-fasefuncties, zoals weergegeven in figuur 1b. We hebben dit proces levendig geïllustreerd met behulp van theoretische analyse- en raytracing-technieken, waarbij we het de 'Transformers' van het optische domein noemden, zoals weergegeven in figuur 2.
Na modulatie van het metasurface convergeert verstrooid licht naar heldere AB's, die elkaar overlappen om niet-diffracterende BB's te vormen. Bovendien hebben we, door gebruik te maken van het potentieel van drievoudig dubbelbrekende nanoantennes, nieuwe technieken geïntroduceerd voor het structureren van lichtvelden, waardoor het aantal lichtveldtypen is verdubbeld tot zes (Figuur 3). Ten slotte hebben we de hoge tolerantie van ons apparaat ten aanzien van fabricagefouten aangetoond (Afbeelding 4).
-
Figuur 3. Experimentele karakterisering van monster- en nanofotonische velden. a) optische opstelling voor het observeren van CAB's in verschillende polarisatiekanalen. LP staat voor lineaire polarisator, QWP staat voor kwartgolfplaat en O verwijst naar het objectief met NA =0,4. b, c) bovenaanzicht en onderaanzicht presenteren respectievelijk de optische microscopie (schaalbalk, 20 μm) en SEM (schaalbalk, 5 μm) karakteriseringen van AFCA- en ADCA-monsters. d, e, f) gesimuleerde en experimentele resultaten van tri-functioneel metasurface voor het genereren van AFCA, vortex AFCA en spiraalvormige AFCA. Terwijl de co-CP dezelfde resultaten oplevert vanwege de gelijkheid van de diagonale elementen in de Jones-matrix. g, h) gesimuleerde en experimentele meting van FWHM-resultaten voor AFCA op verschillende dwarsvlakken. Credit:Laser- en fotonicarecensies (2024). DOI:10.1002/lpor.202301372 -
Figuur 4. Karakterisering van monsters en experimentele meting van defecte metasurfaces, weergegeven van boven naar beneden:ring-, lineaire en gebiedsdefecten. a, c, e) de SEM en hun gedeeltelijke vergrotingen voor respectievelijk de drie soorten defecten, linker schaalbalk, 20 μm, rechter schaalbalk, 5 μm. b, d, f) dwarsverdelingen in verschillende dwarsdoorsneden langs het optische pad binnen de drie kanalen. Credit:Laser- en fotonicarecensies (2024). DOI:10.1002/lpor.202301372
Samenvattend vertegenwoordigt dit onderzoek niet alleen een cruciale stap in het gebruik van niet-verstrooiend licht en het verbeteren van de multifunctionaliteit van metasurfaces, maar legt het ook een solide basis voor de vooruitgang van geavanceerde on-chip, nano-optische platforms en innovatieve productietechnologieën. Dit heeft aanzienlijke gevolgen voor de ontwikkeling van het optische veld, waardoor de prestaties en functionaliteit van optische apparaten naar nieuwe hoogten worden getild.
Dit verhaal maakt deel uit van Science X Dialog, waar onderzoekers bevindingen uit hun gepubliceerde onderzoeksartikelen kunnen rapporteren. Bezoek deze pagina voor informatie over Science X Dialog en hoe u kunt deelnemen.