Der Bahndrehimpuls (OAM) elektromagnetischer Wellen – eine Art „strukturiertes Licht“ – ist mit einer spiralförmigen oder verdrehten Wellenfront verbunden.
Die Helixmoden sind durch eine topologische Ladung gekennzeichnet. OAM-Strahlen mit unterschiedlichen topologischen Ladungen sind zueinander orthogonal, wodurch sie Informationen übertragen und gemultiplext werden können. OAM-Multiplexing bietet eine erhöhte Kanalkapazität und spektrale Effizienz – sehr nützlich bei glasfaserbasierten und Freiraumkommunikationen. OAM-Strahlen haben auch Eigenschaften, die für optische Fallen, Gitter und mehr nützlich sind.
Die Erschließung des Potenzials von OAM ist dank anhaltender Forschungsanstrengungen weltweit vorangekommen. Wie in berichtet Fortgeschrittene Photonikhaben Forscher der Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) und der City University of Hong Kong (CityU) kürzlich zeitvariable OAM-Strahlen entwickelt, die eine raumzeitkodierte digitale Metaoberfläche verwenden. Sie verwendeten ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA), um die Reflexionsphase der Atome an der Metaoberfläche im Mikrowellenbereich zu steuern.
Indem sie die flexible Programmierbarkeit der Metaoberfläche ausnutzen, konstruieren sie verschiedene Moden der zeitvariablen OAM-Strahlen mit einem zeitabhängigen Phasenprofil in jeder Zeitschicht. Dies ermöglicht nicht nur eine zeitvariable topologische Ladung, sondern auch eine Verdrillung höherer Ordnung in der Hüllwellenfrontstruktur des OAM-Strahls im Sinne einer nichtlinearen Zeitabhängigkeit in der Phase, was als zusätzlicher Freiheitsgrad fungiert, um größere Kapazitäten zu ermöglichen Anwendung.
Erfahren Sie mehr über zeitvariables OAM in diesem von den Autoren erstellten Video. Bildnachweis: Zhang et al.
Für ihre experimentelle Demonstration entwickelte das Team ein Zwei-Sonden-Mapping-Verfahren, um das zeitvariable OAM-Feld einschließlich Amplituden- und Phasenmuster zu verschiedenen Zeitpunkten dynamisch abzubilden. Darüber hinaus führten sie eine Spektralanalyse mit dem Ziel der OAM-Modenzerlegung an gemessenen Feldmustern durch, die die hohe Modenreinheit des erzeugten zeitvariablen OAM und die entworfene Verdrehung höherer Ordnung in der Wellenfrontstruktur der Hüllkurve demonstrierte.
Ihr innovativer Ansatz, der die digitale Raum-Zeit-Kodierung der Metaoberfläche und die Feldkartierungstechnik mit zwei Sonden kombiniert, führt zu einer vielseitigen Plattform zur Erzeugung und Beobachtung zeitveränderlicher OAM sowie anderer raumzeitlicher Anregungen.
Die vorgeschlagenen zeitveränderlichen OAM-Strahlen haben Anwendungspotenzial für dynamisches Partikeleinfangen, Zeitmultiplex, Informationsverschlüsselung und mehr.
Mehr Informationen:
Jingxin Zhang et al, Generierung zeitvariabler orbitaler Drehimpulsstrahlen mit digitaler Raum-Zeit-Codierungs-Metaoberfläche, Fortgeschrittene Photonik (2023). DOI: 10.1117/1.AP.5.3.036001