Création d’un métal à moment cinétique orbital de graphène diffractif à large bande par nanoimpression laser

Les faisceaux optiques porteurs d’un moment cinétique orbital (OAM) attirent une large attention et jouent un rôle important dans le stockage de données optiques, les communications optiques, le traitement de l’information quantique, l’imagerie à super-résolution ainsi que le piégeage et la manipulation optiques. Cependant, le volume volumineux et les systèmes complexes des générateurs de faisceaux OAM classiques limitent leurs applications dans les dispositifs optiques ou photoniques intégrés et miniaturisés.

Dans une étude publiée dans la revue Science ultrarapide, Cao et ses collègues ont utilisé une méthode de nano-impression laser ultra-rapide pour fabriquer des lentilles métalliques de graphène ultra-minces (200 nm), qui intègrent la génération OAM et des fonctions de focalisation haute résolution dans une large bande passante. Les matalenses OAM en graphène à large bande devraient être largement appliquées dans les dispositifs photoniques miniaturisés et intégrés activés par les faisceaux OAM.

De nouvelles méthodes basées sur des nanostructures bidimensionnelles disposées périodiquement, à savoir des métasurfaces, se sont révélées utiles pour réaliser des générateurs de faisceaux OAM ultrafins et intégrables pour des faisceaux OAM de haute qualité. Cependant, les lentilles métasurfaces à large bande traditionnelles nécessitent généralement un traitement long et des méthodes de conception itératives complexes pour obtenir un contrôle précis du front d’onde. En comparaison, les lentilles métalliques en graphène de conception simple sont rendues possibles par une nano-impression laser en une seule étape.

Les matériaux en graphène peuvent manipuler simultanément l’amplitude et la phase d’un faisceau lumineux, permettant une grande flexibilité et précision dans la conception de la lentille pour obtenir les distributions d’intensité focale souhaitées. Récemment, Cao et al. a réalisé un nouveau métal de graphène capable de focaliser des faisceaux OAM à large bande par nanoimpression laser ultrarapide.

Une méthode basée sur la technique de phase de détour et les propriétés optiques uniques de l’oxyde de graphène a été développée pour concevoir les lentilles métalliques de graphène OAM, qui peuvent contrôler indépendamment les propriétés de focalisation et la charge topologique de l’OAM en même temps. La capacité à large bande du graphène OAM metalens a été démontrée en focalisant des faisceaux de lumière optique à différentes longueurs d’onde.

Les distributions expérimentales d’intensité de focalisation reproduisaient presque les prédictions théoriques en utilisant la théorie de diffraction de Rayleigh – Sommerfeld. Les lentilles métalliques ultrafines en graphène démontrées ont fourni une approche simple et rentable pour obtenir une focalisation de faisceau OAM hautement intégrée et haute résolution. Ils trouveront de larges applications dans les manipulations de faisceaux optiques et de particules, le stockage de données, le traitement de l’information quantique et les communications par multiplexage de modes dans les dispositifs photoniques intégrés.

Les lentilles métalliques en graphène qui en résultent sont prometteuses pour de larges applications dans les dispositifs optiques et photoniques intégrés utilisant des faisceaux OAM. Pour ces applications, un diamètre plus petit du point en forme de beignet est souhaité. Les méthodes qui améliorent la fabrication, augmentent la taille des métaux ou utilisent d’autres matériaux 2D avec un contraste d’indice de réfraction plus élevé sont possibles pour réduire dans une certaine mesure la taille du point en forme de beignet.

Cependant, le diamètre minimum de la tache en forme de beignet du graphène OAM metalens suit la limite de diffraction. Pour réduire davantage la taille du spot, la nouvelle théorie devrait être proposée, peut-être que la combinaison de métaux de super oscillation et de chargement en phase spirale est l’une des méthodes possibles.