Die vierte industrielle Revolution treibt das exponentielle Wachstum der Datenübertragung voran, und kostengünstige, ultraschnelle und kompakte optische Kommunikationstechnologien werden dringend benötigt, um das explodierende Datenübertragungsvolumen zu bewältigen. Vortex-Strahlen, die eine wirbelnde Form um die Ausbreitungsachse aufweisen, haben das Potenzial, die Informationsmenge zu erhöhen, die bei gleicher Frequenz gespeichert werden kann.
Als solche stellen sie einen vielversprechenden Weg für die Entwicklung von optischen Kommunikationstechnologien mit hoher Kapazität dar, die 5G übertreffen und den Weg für 6G ebnen. Zu diesem Zweck hat ein Forschungsteam der Pohang University of Science and Technology (POSTECH) einen Wirbelstrahl entwickelt, der durch die Verwendung einer Metaoberfläche mit einem breiten Spektrum an Lichtfrequenzen funktionieren kann.
Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Nano-Buchstaben.
Professor Junsuk Rho (Fakultät für Maschinenbau und Chemieingenieurwesen) zusammen mit Ph.D. Kandidat Joohoon Kim (Fakultät für Maschinenbau) leitete das Team, das eine Metaoberfläche vorschlug, die in der Lage ist, zwei orthogonale Polarisationszustände unabhängig voneinander über die Breitbandwellenlängen von ultraviolettem bis sichtbarem Licht zu steuern. Darüber hinaus demonstrierten die Forscher die Fähigkeit, mithilfe der Metaoberfläche Wirbelstrahlen mit unterschiedlichen topologischen Ladungen zu erzeugen und zu erkennen.
Orbital Drehimpuls (OAM) ist ein Begriff, der verwendet wird, um das Wirbelmuster zu beschreiben, das Licht auf seiner Reise annimmt. Wenn Licht dieses Wirbelmuster annimmt, spricht man von einem Wirbelstrahl. Wirbelstrahlen können mehr Informationen bei derselben Frequenz oder demselben Polarisationszustand speichern als herkömmliche Lichtstrahlen.
Der unabhängige Wirbelstrahl optischer Wirbelstrahlen hat sie zu einem unverzichtbaren Werkzeug in der Optik mit verschiedenen Anwendungen gemacht, darunter optische Pinzetten und die Erstellung holografischer Videos. Die Erzeugung optischer Wirbelstrahlen erforderte jedoch traditionell sperrige und schwere Geräte, die als räumliche Lichtmodulatoren (SLMs) bezeichnet werden. Darüber hinaus war die Einführung ultravioletter optischer Wirbelstrahlen aufgrund des Mangels an SLMs, die in diesem Bereich funktionieren, eine Herausforderung.
Jüngste Fortschritte in der Nanofabrikationstechnologie haben die Realisierung hocheffizienter, breitbandiger und multifunktionaler Metaoberflächen ermöglicht, die viele Lichteigenschaften, einschließlich Phase, Amplitude und Polarisation, modulieren können. Trotz dieser Fortschritte und laufenden Forschungsanstrengungen bleibt die Kontrolle von Licht im ultravioletten Bereich jedoch eine Herausforderung.
Das Forschungsteam entschied sich für eine dünne und leichte Metaoberfläche, um einen Polarisator zu schaffen, der in der Lage ist, optische Wirbelstrahlen zu erzeugen, wenn er ultraviolettem Licht ausgesetzt wird, im Gegensatz zu den sperrigen und schweren SLMs, die traditionell für diesen Zweck verwendet werden. Die Forscher verwendeten Siliziumnitrid, ein Material mit hohem Brechungsindex und ohne Absorption von ultraviolettem Licht.
Eine der Einschränkungen von Metaoberflächen besteht darin, dass ihre Funktion nach ihrer Verarbeitung dauerhaft festgelegt ist, was ihre Änderung erschwert. In dieser Studie brach das Team jedoch die Rotationssymmetrie der Metaoberfläche, um sie je nach Polarisation des einfallenden Lichts mit unterschiedlichen Funktionen zu gestalten. Dieser Ansatz ermöglicht es, mehr Informationen auf einer einzigen Metaoberfläche zu speichern, was potenzielle Anwendungen in verschiedenen Bereichen eröffnet.
Professor Rho erklärte: „Unsere Forschung hat die Multifunktionalität von Metaoberflächen bestätigt, die optische Wirbelstrahlen mit unterschiedlichen topologischen Ladungen basierend auf dem Polarisationszustand des einfallenden Lichts erzeugen können. Die Erzeugung von ultravioletten optischen Wirbelstrahlen erweitert auch die potenziellen Anwendungen optischer Wirbelstrahlen. “
Mehr Informationen:
Nasir Mahmood et al, Ultraviolett-sichtbare multifunktionale Vortex-Metaplatten durch Brechen der konventionellen Rotationssymmetrie, Nano-Buchstaben (2023). DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c04193