La metasuperficie entra nella cavità della fibra laser per il controllo della modalità spaziotemporale

Jan 13, 2024

23 febbraio 2023

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di SPIE

Le metasuperfici sono altamente versatili per manipolare l'ampiezza, la fase o la polarizzazione della luce. Durante l’ultimo decennio, le metasuperfici sono state proposte per una vasta gamma di applicazioni, dall’imaging e l’olografia alla generazione di complessi schemi di campo luminoso. Tuttavia, la maggior parte delle metasuperfici ottiche sviluppate fino ad oggi sono elementi ottici isolati che funzionano solo con sorgenti luminose esterne.

Nonostante la loro versatilità nella manipolazione spaziale di un campo luminoso, la maggior parte delle metasuperfici hanno solo una risposta fissa e invariante nel tempo e una capacità limitata di controllare la forma temporale di un campo luminoso. Per superare tali limitazioni, i ricercatori stanno cercando modi per utilizzare metasuperfici non lineari per la modulazione del campo luminoso spaziotemporale. Tuttavia, la maggior parte dei materiali per la costruzione di metasuperfici hanno di per sé una risposta ottica non lineare relativamente limitata.

Una soluzione alla limitata non linearità dei materiali della metasuperficie è l'accoppiamento del campo vicino a un mezzo con una non linearità ottica estremamente ampia. I materiali Epsilon-near-zero (ENZ), una classe emergente di materiali con permettività nulla, hanno attirato molta attenzione negli ultimi anni. Ad esempio, l’ossido di indio-stagno (ITO), un ossido metallico conduttivo ampiamente utilizzato come elettrodi trasparenti nelle celle solari e nell’elettronica di consumo, ha tipicamente una permettività oltre lo zero nel regime del vicino infrarosso.

Un materiale ENZ, con il suo indice di rifrazione lineare prossimo allo zero, è dotato di un indice di rifrazione non lineare e di un coefficiente di assorbimento non lineare estremamente elevati.

Come riportato su Advanced Photonics, i ricercatori dell’Università Tsinghua e dell’Accademia cinese delle scienze hanno recentemente generato impulsi laser con profili spaziotemporali su misura incorporando direttamente un materiale ENZ accoppiato a una metasuperficie in una cavità laser a fibra.

I ricercatori hanno utilizzato la fase geometrica di una metasuperficie costituita da nano-antenne metalliche anisotrope spazialmente disomogenee per personalizzare la modalità trasversale del raggio laser in uscita. Il gigantesco assorbimento saturabile non lineare del sistema accoppiato con ENZ consente la generazione di laser pulsato tramite un processo di commutazione Q. Per fornire un prototipo, i ricercatori hanno realizzato un laser a vortice pulsato di microsecondi con cariche topologiche variabili.

Questo lavoro fornisce un nuovo percorso per costruire un laser con un profilo di modalità spaziotemporale su misura in una forma compatta. Per un'ulteriore miniaturizzazione del sistema, la metasuperficie può essere integrata sulla faccia dell'estremità della fibra.

Secondo l'autore corrispondente Yuanmu Yang, professore presso il Laboratorio chiave di tecnologia e strumenti di misurazione di precisione dell'Università di Tsinghua, "Ci auguriamo che il nostro lavoro possa approfondire l'esplorazione della versatilità della metasuperficie per la manipolazione del campo luminoso spaziale, con la sua nonlinearità gigante e personalizzabile per la generazione di raggi laser con profili spaziali e temporali arbitrari."

Yang osserva che questo metodo innovativo potrebbe aprire la strada alla prossima generazione di sorgenti laser pulsate miniaturizzate, che potrebbero essere utilizzate in varie applicazioni, come l’intrappolamento della luce, la memorizzazione ottica ad alta densità, l’imaging a superrisoluzione e la litografia laser 3D.

Maggiori informazioni: Wenhe Jia et al, Metasuperfici spaziotemporali intracavità, Advanced Photonics (2023). DOI: 10.1117/1.AP.5.2.026002

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