Metasurface entra na cavidade da fibra do laser para controle do modo espaço-temporal

Jan 13, 2024

23 de fevereiro de 2023

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da SPIE

Metasuperfícies são altamente versáteis para manipular a amplitude, fase ou polarização da luz. Durante a última década, metassuperfícies foram propostas para uma vasta gama de aplicações – desde imagens e holografia até a geração de padrões complexos de campos de luz. No entanto, a maioria das metassuperfícies ópticas desenvolvidas até o momento são elementos ópticos isolados que funcionam apenas com fontes de luz externas.

Apesar de sua versatilidade para manipular espacialmente um campo de luz, a maioria das metassuperfícies tem apenas uma resposta fixa e invariante no tempo e uma capacidade limitada de controlar a forma temporal de um campo de luz. Para superar essas limitações, os pesquisadores estão procurando maneiras de usar metassuperfícies não lineares para modulação de campo de luz espaço-temporal. No entanto, a maioria dos materiais para a construção de metassuperfícies tem uma resposta óptica não linear relativamente limitada por si só.

Uma solução para a não linearidade limitada dos materiais de metassuperfície é o acoplamento de campo próximo a um meio com não linearidade óptica extremamente grande. Os materiais Epsilon-quase-zero (ENZ), uma classe emergente de materiais com permissividade em extinção, têm chamado muita atenção nos últimos anos. Por exemplo, o óxido de índio e estanho (ITO), um óxido metálico condutor amplamente utilizado como eletrodos transparentes em células solares e eletrônicos de consumo, normalmente tem permissividade além de zero no regime do infravermelho próximo.

Um material ENZ, com seu índice de refração linear próximo de zero, é dotado de um índice de refração não linear extremamente grande e de um coeficiente de absorção não linear.

Conforme relatado na Advanced Photonics, pesquisadores da Universidade de Tsinghua e da Academia Chinesa de Ciências geraram recentemente pulsos de laser com perfis espaço-temporais personalizados, incorporando diretamente um material ENZ acoplado a uma metassuperfície em uma cavidade de laser de fibra.

Os pesquisadores usaram a fase geométrica de uma metassuperfície feita de nanoantenas metálicas anisotrópicas espacialmente não homogêneas para adaptar o modo transversal do feixe de laser de saída. A gigante absorção saturável não linear do sistema acoplado a ENZ permite a geração de laser pulsado por meio de um processo de comutação Q. Para fornecer um protótipo, os pesquisadores realizaram um laser de vórtice pulsado de microssegundos com cargas topológicas variadas.

Este trabalho fornece uma nova rota para construir um laser com um perfil de modo espaço-temporal personalizado de forma compacta. Para maior miniaturização do sistema, a metassuperfície pode ser integrada na face final da fibra.

De acordo com o autor correspondente Yuanmu Yang, professor do Laboratório Chave Estadual de Tecnologia e Instrumentos de Medição de Precisão da Universidade de Tsinghua, "Esperamos que nosso trabalho possa explorar ainda mais a versatilidade da metassuperfície para manipulação de campo de luz espacial, com sua não-linearidade gigante e adaptável para gerar feixes de laser com perfis espaciais e temporais arbitrários."

Yang observa que este método inovador pode abrir caminho para a próxima geração de fontes de laser pulsado miniaturizadas, que poderiam ser usadas em diversas aplicações, como captura de luz, armazenamento óptico de alta densidade, imagens de superresolução e litografia a laser 3D.

Mais Informações: Wenhe Jia et al, metassuperfícies espaçotemporais intracavitárias, Advanced Photonics (2023). DOI: 10.1117/1.AP.5.2.026002

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