Dimensões de propagação da luz:Deformação de feixes versáteis não difrativos ao longo da trajetória óptica
Figura 1. a) ilustração esquemática do AFCA (em cima) e ADCA (em baixo). b) Configuração de fase da metassuperfície, onde as setas amarelas representam a fase local e as áreas vermelhas denotam a fase global. c) Fluxograma de obtenção da fase total através da modulação combinada da fase local e global. Crédito:Avaliações sobre Laser e Fotônica (2024). DOI:10.1002/lpor.202301372 A difração da luz é um fenômeno onipresente na natureza, onde as ondas se espalham à medida que se propagam. Esta dispersão dos feixes de luz durante a propagação limita a transmissão eficiente de energia e informação. Portanto, os cientistas têm se esforçado para suprimir os efeitos de difração para melhor manter a forma e a direção dos feixes de luz.
Nas últimas décadas, houve avanços significativos no controle da estrutura da luz. Por exemplo, em 1979, Berry e colegas previram um tipo de feixe especial denominado feixes aéreos (ABs), que exibem autoaceleração e autoflexão sem difração. E em 1987, J. Durnin realizou feixes de Bessel (BBs), uma solução especial para a equação de onda que pode suprimir a difração. Essas descobertas avançaram muito tanto na óptica fundamental quanto nas aplicações.
No entanto, os dispositivos para modular campos de luz não difrativos têm sido tipicamente volumosos e têm limitações como baixa resolução e dificuldade de codificação do perfil de fase. O desenvolvimento de metassuperfícies trouxe novas mudanças, utilizando o arranjo preciso de conjuntos de antenas em nanoescala para miniaturizar dispositivos ópticos e obter controle multidimensional de campos de luz através de sua birrefringência. Esta tecnologia é considerada um facilitador chave para o desenvolvimento de plataformas fotônicas integradas de próxima geração.
Recentemente, nossa equipe fez progressos nesta área. Reconstruímos com sucesso o campo de luz não difratado ao longo do caminho de propagação, observando a transformação natural de feixes circulares de Airy (CABs) em BBs após propagar uma distância.
Esta pesquisa foi possível graças ao nosso mecanismo proposto de controle conjunto de fase local-global, permitindo-nos não apenas modular o gradiente de fase radial, mas também facilitar a codificação de campos ópticos mais complexos e não difrativos. O trabalho foi publicado na revista Laser &Photonics Reviews .
Figura 2. Ilustrações de CABs modulados por fase local e fase global, respectivamente. a, c, e e g representam diagramas esquemáticos das configurações dos raios, enquanto b, d, f e h mostram os diagramas de efeitos correspondentes. Barra de escala, 10 μm. Crédito:Avaliações sobre Laser e Fotônica (2024). DOI:10.1002/lpor.202301372
Decompusemos o problema 2D na integração de funções de fase 1D e na superposição de funções de fase 2D, conforme representado na Figura 1b. Ilustramos vividamente esse processo usando análises teóricas e técnicas de traçado de raios, referindo-nos a ele como os "Transformadores" do domínio óptico, conforme mostrado na Figura 2.
Após a modulação da metassuperfície, a luz espalhada converge em ABs claros, que se sobrepõem para formar BBs não difrativos. Além disso, ao aproveitar o potencial das nanoantenas birrefringentes triplas, introduzimos novas técnicas para estruturar campos de luz, duplicando o número de tipos de campos de luz para seis (Figura 3). Por fim, demonstramos a alta tolerância do nosso dispositivo a defeitos de fabricação (Figura 4).
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Figura 3. Caracterização experimental de amostras e campos nanofotônicos. a) configuração óptica para observação de CABs em diferentes canais de polarização. LP representa polarizador linear, QWP denota placa de quarto de onda e O refere-se ao objetivo com NA =0,4. b, c) as vistas superior e inferior apresentam respectivamente as caracterizações de microscopia óptica (barra de escala, 20 μm) e SEM (barra de escala, 5 μm) das amostras AFCA e ADCA. d, e, f) resultados simulados e experimentais de metassuperfície trifuncional para geração de AFCA, AFCA de vórtice e AFCA espiral. Enquanto o co-CP produz os mesmos resultados devido à igualdade dos elementos diagonais na matriz de Jones. g, h) medição simulada e experimental de resultados de FWHM para AFCA em diferentes planos transversais. Crédito:Avaliações sobre Laser e Fotônica (2024). DOI:10.1002/lpor.202301372
Figura 4. Caracterização da amostra e medição experimental de metassuperfícies defeituosas, exibidas de cima para baixo:defeitos em anel, lineares e de área. a, c, e) o SEM e suas ampliações parciais para os três tipos de defeitos, respectivamente, barra de escala esquerda, 20 μm, barra de escala direita, 5 μm. b, d, f) distribuições transversais em diferentes seções transversais ao longo do caminho óptico dentro dos três canais. Crédito:Avaliações sobre Laser e Fotônica (2024). DOI:10.1002/lpor.202301372
Em resumo, esta pesquisa representa não apenas um passo fundamental no uso de luz não difratante e no aumento da multifuncionalidade das metassuperfícies, mas também estabelece uma base sólida para o avanço de plataformas nano-ópticas avançadas no chip e tecnologias de fabricação inovadoras. Isso tem implicações significativas para o desenvolvimento do campo óptico, levando o desempenho e a funcionalidade dos dispositivos ópticos a novos patamares.
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