Diffraktionen av ljus är ett allestädes närvarande fenomen i naturen där vågor sprider sig när de fortplantar sig. Denna spridning av ljusstrålar under utbredning begränsar den effektiva överföringen av energi och information. Därför har forskare strävat efter att undertrycka diffraktionseffekter för att bättre bibehålla formen och riktningen för ljusstrålar.
Under de senaste decennierna har det skett betydande genombrott när det gäller att kontrollera ljusets struktur. Till exempel, 1979, förutspådde Berry och kollegor en typ av speciell stråle som kallas Airy beams (ABs), som uppvisar självacceleration och självböjning utan diffraktion. Och 1987 realiserade J. Durnin Bessel-strålar (BBs), en speciell lösning på vågekvationen som kan undertrycka diffraktion. Dessa upptäckter har avsevärt avancerat både grundläggande optik och tillämpningar.
Emellertid har anordningar för modulering av icke-diffraktionsljusfält typiskt varit skrymmande och har begränsningar såsom låg upplösning och svårighet att koda fasprofilen. Utvecklingen av metasytor har medfört nya förändringar, genom att använda det exakta arrangemanget av nanoskala antennuppsättningar för att miniatyrisera optiska enheter och uppnå flerdimensionell kontroll av ljusfält genom deras dubbelbrytning. Denna teknik anses vara en nyckelfaktor för utvecklingen av nästa generations fotoniska integrerade plattformar.
Nyligen har vårt team gjort framsteg på detta område. Vi har framgångsrikt rekonstruerat icke-diffraktionsljusfält längs utbredningsvägen, och observerat den naturliga omvandlingen av cirkulärt luftiga strålar (CAB) till BB:er efter att ha spridit sig en sträcka.
Denna forskning möjliggjordes av vår föreslagna mekanism för gemensam lokal-global faskontroll, vilket gör det möjligt för oss att inte bara modulera den radiella fasgradienten, utan också för att underlätta kodningen av mer komplexa, icke-diffraktionerande optiska fält. Verket publiceras i tidskriften Laser &Photonics Reviews .
Vi dekomponerade 2D-problemet i integrationen av 1D-fasfunktioner och superpositionen av 2D-fasfunktioner, som avbildas i figur 1b. Vi illustrerade denna process livligt med hjälp av teoretisk analys och strålspårningsteknik, och hänvisade till den som "transformatorerna" för den optiska domänen, som visas i figur 2.
Efter modulering av metaytan konvergerar spritt ljus till klara ABs, som överlappar för att bilda icke-diffraktions BB. Dessutom, genom att utnyttja potentialen hos trippel dubbelbrytande nanoantenner, introducerade vi nya tekniker för att strukturera ljusfält, vilket fördubblade antalet ljusfältstyper till sex (Figur 3). Slutligen visade vi vår enhets höga tolerans mot tillverkningsfel (Figur 4).
Sammanfattningsvis representerar denna forskning inte bara ett avgörande steg i användningen av icke-diffraktionsljus och förbättrar multifunktionaliteten hos metasytor, utan lägger också en solid grund för utvecklingen av avancerade on-chip, nanooptiska plattformar och innovativ tillverkningsteknik. Detta har betydande konsekvenser för utvecklingen av det optiska fältet, vilket driver optiska enheters prestanda och funktionalitet till nya höjder.
Den här historien är en del av Science X Dialog, där forskare kan rapportera resultat från sina publicerade forskningsartiklar. Besök den här sidan för information om Science X Dialog och hur du deltar.
Mer information: Tianyue Li et al, Spin‐Selective Trifunctional Metasurfaces for Deforming Versatile Nondiffractive Beams along the Optical Trajectory, Laser &Photonics Reviews (2024). DOI:10.1002/lpor.202301372
(c) 2024 ScienceX
