Metasurface는 시공간 모드 제어를 위해 레이저 섬유 공동에 들어갑니다.

Jan 13, 2024

2023년 2월 23일

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작성자: SPIE

Metasurface는 빛의 진폭, 위상 또는 편광을 조작하는 데 매우 다양한 용도로 사용됩니다. 지난 10년 동안 메타표면은 이미징 및 홀로그래피부터 복잡한 라이트 필드 패턴 생성에 이르기까지 광범위한 응용 분야에 제안되었습니다. 그러나 현재까지 개발된 대부분의 광학 메타표면은 외부 광원에서만 작동하는 격리된 광학 요소입니다.

라이트 필드를 공간적으로 조작할 수 있는 다용도성에도 불구하고 대부분의 메타표면은 고정된 시간 불변 응답만 가지며 라이트 필드의 시간적 모양을 제어하는 ​​기능이 제한되어 있습니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 연구자들은 시공간 광장 변조를 위해 비선형 메타표면을 사용하는 방법을 모색하고 있습니다. 그러나 메타표면을 구성하기 위한 대부분의 재료는 그 자체로 상대적으로 제한된 비선형 광학 응답을 가지고 있습니다.

메타표면 재료의 제한된 비선형성에 대한 한 가지 해결책은 극도로 큰 광학적 비선형성을 갖는 매체에 대한 근거리장 결합입니다. 유전율이 사라지는 새로운 종류의 재료인 ENZ(Epsilon-near-zero) 재료가 최근 몇 년간 많은 주목을 받아 왔습니다. 예를 들어, 태양 전지 및 가전제품의 투명 전극으로 널리 사용되는 전도성 금속 산화물인 ITO(인듐 주석 산화물)는 일반적으로 근적외선 영역에서 유전율이 0을 초과합니다.

선형굴절률이 0에 가까운 ENZ 소재는 매우 큰 비선형 굴절률과 비선형 흡수계수를 갖고 있습니다.

Advanced Photonics에 보고된 바와 같이, Tsinghua University와 Chinese Academy of Sciences의 연구원들은 최근 광섬유 레이저 공동의 메타표면에 결합된 ENZ 재료를 직접 통합하여 맞춤형 시공간 프로파일을 갖춘 레이저 펄스를 생성했습니다.

연구진은 출력 레이저 빔의 가로 모드를 조정하기 위해 공간적으로 불균일한 이방성 금속 나노 안테나로 만들어진 메타표면의 기하학적 위상을 사용했습니다. ENZ 결합 시스템의 거대한 비선형 포화 흡수는 Q-스위칭 프로세스를 통해 펄스 레이저 생성을 허용합니다. 프로토타입을 제공하기 위해 연구진은 다양한 토폴로지 전하를 갖는 마이크로초 펄스 소용돌이 레이저를 구현했습니다.

이 연구는 컴팩트한 형태로 맞춤형 시공간 모드 프로파일을 갖춘 레이저를 구성하는 새로운 경로를 제공합니다. 추가적인 시스템 소형화를 위해 메타표면을 섬유 끝면에 통합할 수 있습니다.

교신 저자인 칭화대학교 정밀 측정 기술 및 장비 국가 핵심 연구소 교수인 Yuanmu Yang에 따르면, "우리의 작업이 레이저 빔 생성을 위한 거대하고 맞춤형 비선형성을 통해 공간 광 필드 조작을 위한 메타표면의 다양성을 더욱 탐구할 수 있기를 바랍니다." 임의의 공간적, 시간적 프로필을 사용합니다."

Yang은 이 혁신적인 방법이 광 트래핑, 고밀도 광학 저장, 초해상도 이미징 및 3D 레이저 리소그래피와 같은 다양한 응용 분야에 사용될 수 있는 차세대 소형 펄스 레이저 소스를 위한 길을 열 수 있다고 지적합니다.

추가 정보: Wenhe Jia 외, 공동 내 시공간 메타표면, Advanced Photonics(2023). DOI: 10.1117/1.AP.5.2.026002

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