Optiska strålar som bär orbital angular momentum (OAM) drar till sig stor uppmärksamhet och spelar en viktig roll i optisk datalagring, optisk kommunikation, kvantinformationsbehandling, superupplösningsavbildning och optisk fångst och manipulation. Den skrymmande volymen och de komplexa systemen hos de konventionella OAM-strålegeneratorerna begränsar dock deras tillämpningar i integrerade och miniatyriserade optiska eller fotoniska enheter.
I en studie publicerad i tidskriften Ultrafast Science , Cao och kollegor använde ultrasnabb laser nanoprinting-metod för att tillverka enstaka ultratunna (200nm) grafenmetaller, som integrerar OAM-generering och högupplösta fokuseringsfunktioner i en bred bandbredd. Bredbandsgrafen OAM-matalenses förväntas användas i stor utsträckning i miniatyriserade och integrerade fotoniska enheter som möjliggörs av OAM-strålar.
Nya metoder baserade på periodiskt arrangerade 2-dimensionella nanostrukturer, nämligen metasytor, har visat sig användbara för att uppnå ultratunna och integrerbara OAM-strålegeneratorer för högkvalitativa OAM-strålar. Emellertid kräver traditionella bredbandsmetasytor i allmänhet tidskrävande bearbetning och komplexa iterativa designmetoder för att uppnå exakt vågfrontskontroll. Som jämförelse möjliggörs grafenmetallenses med enkla designs genom en ettstegs lasernanotryckning.
Grafenmaterial kan samtidigt manipulera amplituden och fasen för en ljusstråle, vilket möjliggör hög flexibilitet och noggrannhet i linsdesignen för att uppnå önskad brännviddsfördelning. Nyligen har Cao et al. realiserat en ny grafenmetallen som kan fokusera bredbandiga OAM-strålar genom ultrasnabb laser nanoprinting.
En metod baserad på omvägsfastekniken och unika optiska egenskaper hos grafenoxid utvecklades för att designa grafen OAM-metallenses, som oberoende kan kontrollera fokuseringsegenskaperna och den topologiska laddningen av OAM samtidigt. Bredbandsförmågan hos grafen OAM metalens demonstrerades genom att fokusera optiska ljusstrålar vid olika våglängder.
De experimentella fokuseringsintensitetsfördelningarna reproducerade nästan de teoretiska förutsägelserna med Rayleigh-Sommerfelds diffraktionsteorin. De demonstrerade ultratunna grafenmetallenerna gav en enkel och kostnadseffektiv metod för att uppnå högintegrerad och högupplöst OAM-strålefokusering. De kommer att hitta breda tillämpningar inom optisk strål- och partikelmanipulation, datalagring, kvantinformationsbehandling och modmultiplexkommunikation i integrerade fotoniska enheter.
De resulterande grafenmetallenerna är lovande för breda tillämpningar i integrerade optiska och fotoniska enheter som använder OAM-strålar. För dessa tillämpningar önskas en mindre diameter på den munkformade fläcken. Metoderna som förbättrar tillverkningen, ökar metallens storlek eller använder andra 2D-material med högre brytningsindexkontrast är möjliga för att minska den munkformade fläckstorleken i viss utsträckning.
Den minsta diametern på den munkformade fläcken av grafen OAM metalens följer dock diffraktionsgränsen. För att ytterligare minska fläckstorleken bör den nya teorin föreslås, kanske är kombinationen av superoscillationsmetaller och spiralfasbelastning en av de möjliga metoderna.
Mer information: Guiyuan Cao et al, Broadband Diffractive Graphene Orbital Angular Momentum Metalens by Laser Nanoprinting, Ultrafast Science (2023). DOI:10.34133/ultrafastscience.0018
Tillhandahålls av Ultrafast Science
