Os feixes ópticos que transportam momento angular orbital (OAM) atraem atenção generalizada e desempenham um papel importante no armazenamento de dados ópticos, comunicações ópticas, processamento de informações quânticas, imagens de super-resolução e captura e manipulação óptica. No entanto, o volume volumoso e os sistemas complexos dos geradores de feixes OAM convencionais limitam as suas aplicações em dispositivos ópticos ou fotônicos integrados e miniaturizados.



Em um estudo publicado na revista Ultrafast Science , Cao e colegas usaram o método de nanoimpressão a laser ultrarrápido para fabricar metalenses de grafeno ultrafinos (200nm), que integram geração de OAM e funções de foco de alta resolução em uma ampla largura de banda. Espera-se que as matalenses OAM de grafeno de banda larga sejam amplamente aplicadas em dispositivos fotônicos miniaturizados e integrados habilitados por feixes OAM.

Novos métodos baseados em nanoestruturas bidimensionais dispostas periodicamente, nomeadamente metassuperfícies, provaram ser úteis na obtenção de geradores de feixes OAM ultrafinos e integráveis ​​para feixes OAM de alta qualidade. No entanto, as lentes tradicionais de metassuperfície de banda larga geralmente requerem processamento demorado e métodos de design iterativos complexos para obter um controle preciso da frente de onda. Em comparação, metalenses de grafeno com designs simples são possibilitados por uma nanoimpressão a laser em uma etapa.

Os materiais de grafeno podem manipular simultaneamente a amplitude e a fase de um feixe de luz, permitindo alta flexibilidade e precisão no design da lente para alcançar as distribuições de intensidade focal desejadas. Recentemente, Cao et al. percebeu um novo metalens de grafeno que pode focar feixes OAM de banda larga por nanoimpressão a laser ultrarrápida.

Um método baseado na técnica de fase de desvio e propriedades ópticas únicas do óxido de grafeno foi desenvolvido para projetar os metalenses de grafeno OAM, que podem controlar independentemente as propriedades de foco e a carga topológica do OAM ao mesmo tempo. A capacidade de banda larga do grafeno OAM metalens foi demonstrada focando feixes de luz óptica em diferentes comprimentos de onda.

As distribuições experimentais de intensidade de focagem quase reproduziram as previsões teóricas usando a teoria da difração de Rayleigh-Sommerfeld. Os metalenses de grafeno ultrafinos demonstrados forneceram uma abordagem simples e econômica para obter foco de feixe OAM altamente integrado e de alta resolução. Eles encontrarão amplas aplicações em manipulações de feixes ópticos e partículas, armazenamento de dados, processamento de informações quânticas e comunicações de multiplexação de modo em dispositivos fotônicos integrados.

As metalenses de grafeno resultantes são promissoras para amplas aplicações em dispositivos ópticos e fotônicos integrados usando feixes OAM. Para estas aplicações, é desejado um diâmetro menor do ponto em forma de rosca. Os métodos que melhoram a fabricação, aumentam o tamanho do metal ou usam outros materiais 2D com maior contraste de índice de refração são possíveis para reduzir o tamanho do ponto em forma de rosca até certo ponto.

No entanto, o diâmetro mínimo da mancha em forma de donut do grafeno OAM metalens segue o limite de difração. Para reduzir ainda mais o tamanho do ponto, a nova teoria deve ser proposta, talvez a combinação de metalens de superoscilação e carregamento de fase espiral seja um dos métodos possíveis.

Mais informações: Guiyuan Cao et al, Broadband Diffractive Graphene Orbital Angular Momentum Metalens por Laser Nanoprinting, Ultrafast Science (2023). DOI:10.34133/ultrafastscience.0018
Fornecido pela Ultrafast Science