I fasci ottici che trasportano momento angolare orbitale (OAM) attirano l'attenzione diffusa e svolgono un ruolo importante nell'archiviazione ottica dei dati, nelle comunicazioni ottiche, nell'elaborazione delle informazioni quantistiche, nell'imaging a super risoluzione e nell'intrappolamento e manipolazione ottica. Tuttavia, il volume ingombrante e i sistemi complessi dei generatori di raggi OAM convenzionali limitano le loro applicazioni in dispositivi ottici o fotonici integrati e miniaturizzati.

In uno studio pubblicato sulla rivista Ultrafast Science , Cao e colleghi hanno utilizzato il metodo di nanostampa laser ultraveloce per fabbricare singoli metalli di grafene ultrasottili (200 nm), che integrano la generazione di OAM e funzioni di messa a fuoco ad alta risoluzione in un'ampia larghezza di banda. Si prevede che i matalenti OAM in grafene a banda larga saranno ampiamente applicati in dispositivi fotonici miniaturizzati e integrati abilitati dai fasci OAM.

Nuovi metodi basati su nanostrutture bidimensionali disposte periodicamente, vale a dire metasuperfici, si sono rivelati utili per ottenere generatori di fasci OAM ultrasottili e integrabili per fasci OAM di alta qualità. Tuttavia, le tradizionali lenti per metasuperficie a banda larga richiedono generalmente un'elaborazione dispendiosa in termini di tempo e metodi di progettazione iterativi complessi per ottenere un controllo accurato del fronte d'onda. In confronto, i metallenti in grafene con design semplici sono resi possibili da una nanostampa laser in un unico passaggio.

I materiali in grafene possono manipolare simultaneamente l'ampiezza e la fase di un raggio luminoso, consentendo elevata flessibilità e precisione nella progettazione delle lenti per ottenere le distribuzioni di intensità focale desiderate. Recentemente, Cao et al. ha realizzato un nuovo metallo di grafene in grado di focalizzare i raggi OAM a banda larga mediante nanostampa laser ultraveloce.

Un metodo basato sulla tecnica della fase di deviazione e sulle proprietà ottiche uniche dell'ossido di grafene è stato sviluppato per progettare i metalensi OAM di grafene, che possono controllare in modo indipendente contemporaneamente le proprietà di focalizzazione e la carica topologica dell'OAM. La capacità della banda larga dei metalli OAM di grafene è stata dimostrata concentrando i raggi di luce ottica a diverse lunghezze d'onda.

Le distribuzioni sperimentali dell'intensità di focalizzazione riproducevano quasi le previsioni teoriche utilizzando la teoria della diffrazione di Rayleigh-Sommerfeld. I metallenti al grafene ultrasottili dimostrati hanno fornito un approccio semplice ed economico per ottenere una focalizzazione del fascio OAM altamente integrata e ad alta risoluzione. Troveranno ampie applicazioni nella manipolazione di raggi ottici e particelle, archiviazione di dati, elaborazione di informazioni quantistiche e comunicazioni mode multiplexing in dispositivi fotonici integrati.

I risultanti metalli di grafene sono promettenti per ampie applicazioni in dispositivi ottici e fotonici integrati che utilizzano fasci OAM. Per queste applicazioni è richiesto un diametro inferiore dello spot a forma di ciambella. I metodi che migliorano la fabbricazione, aumentano le dimensioni delle lenti metalliche o utilizzano altri materiali 2D con un indice di rifrazione più elevato sono possibili per ridurre in una certa misura la dimensione dello spot a forma di ciambella.

Tuttavia, il diametro minimo della macchia a forma di ciambella del grafene OAM metalens segue il limite di diffrazione. Per ridurre ulteriormente la dimensione dello spot, dovrebbe essere proposta la nuova teoria, forse la combinazione di metalli super oscillanti e caricamento di fase a spirale è uno dei metodi possibili.

Ulteriori informazioni: Guiyuan Cao et al, Metalens del momento angolare orbitale diffrattivo del grafene a banda larga mediante nanostampa laser, Scienza ultraveloce (2023). DOI:10.34133/ultrafastscience.0018

Fornito da Ultrafast Science