Metaoberflächen sind äußerst vielseitig, um die Amplitude, Phase oder Polarisation von Licht zu manipulieren. In den letzten zehn Jahren wurden Metaoberflächen für eine Vielzahl von Anwendungen vorgeschlagen – von Bildgebung und Holographie bis hin zur Erzeugung komplexer Lichtfeldmuster. Die meisten bisher entwickelten optischen Metaoberflächen sind jedoch isolierte optische Elemente, die nur mit externen Lichtquellen funktionieren.
Trotz ihrer Vielseitigkeit zur räumlichen Manipulation eines Lichtfelds haben die meisten Metaoberflächen nur eine feste, zeitinvariante Reaktion und eine begrenzte Fähigkeit, die zeitliche Form eines Lichtfelds zu steuern. Um solche Einschränkungen zu überwinden, suchen Forscher nach Möglichkeiten, nichtlineare Metaoberflächen für die raumzeitliche Lichtfeldmodulation zu verwenden. Die meisten Materialien zum Aufbau von Metaoberflächen haben jedoch selbst eine relativ begrenzte nichtlineare optische Reaktion.
Eine Lösung für die begrenzte Nichtlinearität von Metaoberflächenmaterialien ist die Nahfeldkopplung an ein Medium mit extrem großer optischer Nichtlinearität. Epsilon-near-zero (ENZ)-Materialien, eine aufstrebende Klasse von Materialien mit verschwindender Permittivität, haben in den letzten Jahren viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Beispielsweise hat Indium-Zinn-Oxid (ITO), ein leitfähiges Metalloxid, das weithin als transparente Elektroden in Solarzellen und Unterhaltungselektronik verwendet wird, im nahen Infrarotbereich typischerweise eine Dielektrizitätskonstante jenseits von Null.
Ein ENZ-Material, dessen linearer Brechungsindex gegen Null geht, ist mit einem extrem großen nichtlinearen Brechungsindex und nichtlinearen Absorptionskoeffizienten ausgestattet.
Metasurface betritt den Laserfaserhohlraum zur raumzeitlichen Modensteuerung: Yang und Co-Autoren stellen ein kurzes erklärendes Video bereit. Kredit: Fortgeschrittene Photonik (2023). DOI: 10.1117/1.AP.5.2.026002
Wie in berichtet Fortgeschrittene Photonikhaben Forscher der Tsinghua-Universität und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften kürzlich Laserpulse mit maßgeschneiderten räumlich-zeitlichen Profilen erzeugt, indem sie ein ENZ-Material direkt eingebaut haben, das an eine Metaoberfläche in einem Faserlaserhohlraum gekoppelt ist.
Die Forscher nutzten die geometrische Phase einer Metaoberfläche aus räumlich inhomogenen anisotropen metallischen Nanoantennen, um den Transversalmodus des Ausgangslaserstrahls maßzuschneidern. Die riesige nichtlineare sättigbare Absorption des ENZ-gekoppelten Systems ermöglicht eine gepulste Lasererzeugung über einen Q-Switching-Prozess. Um einen Prototyp bereitzustellen, realisierten die Forscher einen im Mikrosekundenbereich gepulsten Wirbellaser mit unterschiedlichen topologischen Ladungen.
Diese Arbeit bietet einen neuen Weg, um einen Laser mit einem maßgeschneiderten raumzeitlichen Modenprofil in kompakter Form zu konstruieren. Zur weiteren Miniaturisierung des Systems kann die Metaoberfläche auf der Faserendfläche integriert werden.
Laut dem korrespondierenden Autor Yuanmu Yang, Professor am Tsinghua University State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments, „hoffen wir, dass unsere Arbeit die Erforschung der Vielseitigkeit von Metaoberflächen für die räumliche Lichtfeldmanipulation mit ihrer riesigen und anpassbaren Nichtlinearität zur Erzeugung von Laserstrahlen weiter vorantreiben kann mit beliebigen räumlichen und zeitlichen Profilen.“
Yang merkt an, dass diese innovative Methode den Weg für die nächste Generation miniaturisierter gepulster Laserquellen ebnen könnte, die in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden könnten, wie z. B. Lichteinfang, optische Speicherung mit hoher Dichte, hochauflösende Bildgebung und 3D-Laserlithographie.
Mehr Informationen:
Wenhe Jia et al., Intracavity räumlich-zeitliche Metaoberflächen, Fortgeschrittene Photonik (2023). DOI: 10.1117/1.AP.5.2.026002