Una nuova pubblicazione da Opto-Electronic Advances discute la manipolazione spaziotemporale degli impulsi di luce a femtosecondi per i dispositivi su chip.

Con lo sviluppo di dispositivi nanofotonici altamente integrati, i ricercatori hanno iniziato a perseguire nuovi metodi per manipolare in modo flessibile i segnali luminosi su chip sia su scala spaziale estremamente piccola (ad esempio, nanometro) che su scala temporale ultraveloce (ad esempio, femtosecondo). Il controllo dei segnali ottici su scale nanometriche e femtosecondi non solo fornisce informazioni fondamentali sulla dinamica ultraveloce dell'interazione tra luce e materia, ma offre anche una piattaforma efficace per l'elaborazione del segnale ultraveloce ad alta efficienza in dispositivi nanofotonici integrati, rilevamento ottico e imaging con risoluzione super-spazio-temporale. Pertanto, la ricerca sulla manipolazione del campo luminoso spaziotemporale è di grande importanza e può essere ampiamente applicata nei campi dei circuiti fotonici, dell'elaborazione delle informazioni fotoniche, dell'elaborazione delle informazioni quantistiche, del calcolo neuromorfico e dell'intelligenza artificiale e della misurazione ottica ultraveloce del fronte d'onda.

Per la modulazione spaziale della luce su nanoscala, negli ultimi anni sono stati sviluppati rapidamente alcuni nuovi dispositivi ottici come metamateriali e metasuperfici per controllare con precisione il comportamento del campo ottico su micro e nanoscala. Ad esempio, la propagazione dei segnali ottici può essere modulata su una traiettoria curva come il raggio di Airy. Per la modulazione nel dominio del tempo, i metodi tradizionali, comprese le apparecchiature a controllo dinamico (come SLM) o i materiali a controllo attivo (come i materiali elettro-ottici), risentono del tempo di risposta limitato dei materiali e non sono adatti per la modulazione ultraveloce del femtosecondo impulsi luminosi.

Recentemente, con lo sviluppo della tecnologia di modellazione degli impulsi, la modulazione nel dominio della frequenza è diventata gradualmente il principale mezzo di modulazione ultraveloce sugli impulsi di femtosecondi. Combinando il metodo di modulazione nel dominio della frequenza con le micro/nano-strutture progettate, ci si aspetta che raggiunga la generazione e la manipolazione del campo luminoso su scala nanometrica e femtoseconda, creando molti nuovi campi di luce spaziotemporale ed espandendo nuove applicazioni.

Gli autori di questo articolo propongono un nuovo metodo per manipolare la propagazione su chip di un impulso di luce a femtosecondi basato sulla trasformata spaziotemporale di Fourier (FT). Combinando il metodo di modulazione nel dominio della frequenza con il metodo di modulazione spaziale, hanno scoperto che la distribuzione spaziale del campo luminoso può essere organizzata regolando il dominio spaziale FT con una struttura di nanofocalizzazione su chip e la modellatura ultraveloce del fronte d'onda degli impulsi di femtosecondi in il dominio del tempo può essere realizzato regolando la FT temporale con l'effetto di dispersione della luce. Infine, la FT spaziotemporale può essere sincronizzata per manipolare le proprietà di propagazione su chip degli impulsi di femtosecondi nel dominio spazio-temporale.

Per dimostrare questo metodo FT spaziotemporale per dispositivi su chip, hanno scelto come esempio i polaritoni plasmonici di superficie (SPP) eccitati su una superficie metallica e hanno studiato le prestazioni di modulazione sugli impulsi SPP a femtosecondi eccitati. Con la capacità di superare il limite di diffrazione ottica, gli SPP sono stati ampiamente utilizzati in dispositivi nanofotonici per una varietà di applicazioni, tra cui archiviazione ottica, rilevamento ottico, pinzette ottiche e diffusione Raman. Oltre alle risoluzioni spaziali su nanoscala, gli impulsi SPP generati da un laser a femtosecondi consentono risoluzioni temporali su scala di femtosecondi, fornendo così una piattaforma di ricerca per la manipolazione dei campi di luce e l'interazione di luce e materia a scale spaziotemporali estremamente piccole.

Con il metodo di modulazione FT spazio-temporale proposto, hanno teoricamente dimostrato alcuni straordinari effetti di modulazione spazio-temporale sugli impulsi SPP a femtosecondi. Ad esempio, un focus spaziale SPP convenzionale può essere gradualmente piegato a forma di anello e la direzione di propagazione di un raggio SPP-Airy curvo può essere invertita in determinati momenti per creare un percorso a forma di S. Rispetto alla modulazione convenzionale degli SPP nel dominio dello spazio o del tempo, il metodo proposto offre potenzialmente una varietà di nuovi effetti nella modulazione SPP specialmente associati al dominio temporale, migliorando così il grado di libertà della modulazione ottica e fornendo una nuova piattaforma per manipolazione spazio-temporale del chip di impulsi ottici con applicazioni che includono elaborazione di informazioni fotoniche su chip ultraveloce, modellatura di impulsi/fascio ultraveloci e calcolo ottico. + Esplora ulteriormente

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