La diffrazione della luce è un fenomeno onnipresente in natura in cui le onde si diffondono mentre si propagano. Questa diffusione dei raggi luminosi durante la propagazione limita la trasmissione efficiente di energia e informazioni. Pertanto, gli scienziati hanno cercato di sopprimere gli effetti di diffrazione per mantenere meglio la forma e la direzione dei raggi luminosi.
Negli ultimi decenni sono stati compiuti progressi significativi nel controllo della struttura della luce. Ad esempio, nel 1979, Berry e colleghi predissero un tipo di raggio speciale chiamato Airy beam (AB), che mostra autoaccelerazione e autoflessione senza diffrazione. E nel 1987, J. Durnin realizzò i raggi di Bessel (BB), una soluzione speciale dell'equazione delle onde in grado di sopprimere la diffrazione. Queste scoperte hanno fatto grandi progressi sia nell'ottica che nelle applicazioni fondamentali.
Tuttavia, i dispositivi per modulare i campi luminosi non diffranti sono generalmente ingombranti e presentano limitazioni quali bassa risoluzione e difficoltà di codifica del profilo di fase. Lo sviluppo delle metasuperfici ha portato nuovi cambiamenti, utilizzando la disposizione precisa di schiere di antenne su scala nanometrica per miniaturizzare i dispositivi ottici e ottenere il controllo multidimensionale dei campi luminosi attraverso la loro birifrangenza. Questa tecnologia è considerata un fattore chiave per lo sviluppo di piattaforme fotoniche integrate di prossima generazione.
Recentemente, il nostro team ha fatto progressi in questo settore. Abbiamo ricostruito con successo il campo luminoso non diffrazione lungo il percorso di propagazione, osservando la trasformazione naturale dei raggi Airy circolari (CAB) in BB dopo la propagazione a distanza.
Questa ricerca è stata resa possibile dal meccanismo da noi proposto di controllo congiunto di fase locale-globale, che ci consente non solo di modulare il gradiente di fase radiale, ma anche di facilitare la codifica di campi ottici più complessi e non diffranti. Il lavoro è pubblicato sulla rivista Laser &Photonics Reviews .
Abbiamo scomposto il problema 2D nell'integrazione delle funzioni di fase 1D e nella sovrapposizione delle funzioni di fase 2D, come illustrato nella Figura 1b. Abbiamo illustrato vividamente questo processo utilizzando l'analisi teorica e le tecniche di ray tracing, definendolo i "Trasformatori" del dominio ottico, come mostrato nella Figura 2.
Dopo la modulazione della metasuperficie, la luce diffusa converge in AB chiari, che si sovrappongono per formare BB non diffrangenti. Inoltre, sfruttando il potenziale delle nanoantenne a tripla birifrangenza, abbiamo introdotto nuove tecniche per strutturare i campi luminosi, raddoppiando il numero di tipi di campi luminosi portandolo a sei (Figura 3). Infine, abbiamo dimostrato l'elevata tolleranza del nostro dispositivo ai difetti di fabbricazione (Figura 4).
In sintesi, questa ricerca rappresenta non solo un passo fondamentale nell’uso della luce non diffrazione e nel miglioramento della multifunzionalità delle metasuperfici, ma pone anche solide basi per il progresso di piattaforme nano-ottiche avanzate su chip e tecnologie di produzione innovative. Ciò ha implicazioni significative per lo sviluppo del campo ottico, portando le prestazioni e la funzionalità dei dispositivi ottici a nuovi livelli.
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Ulteriori informazioni: Tianyue Li et al, Metasuperfici trifunzionali spin-selettive per deformare fasci versatili non diffrattivi lungo la traiettoria ottica, Recensioni su laser e fotonica (2024). DOI:10.1002/lpor.202301372
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