Los haces ópticos que transportan momento angular orbital (OAM) atraen una amplia atención y desempeñan un papel importante en el almacenamiento de datos ópticos, las comunicaciones ópticas, el procesamiento de información cuántica, las imágenes de superresolución y la captura y manipulación óptica. Sin embargo, el volumen voluminoso y los sistemas complejos de los generadores de haz OAM convencionales limitan sus aplicaciones en dispositivos ópticos o fotónicos integrados y miniaturizados.
En un estudio publicado en la revista Ultrafast Science , Cao y sus colegas utilizaron un método de nanoimpresión láser ultrarrápido para fabricar metalentes de grafeno ultrafinos (200 nm), que integran la generación de OAM y funciones de enfoque de alta resolución en un amplio ancho de banda. Se espera que los matalenses OAM de grafeno de banda ancha se apliquen ampliamente en dispositivos fotónicos miniaturizados e integrados habilitados por haces OAM.
Nuevos métodos basados en nanoestructuras bidimensionales dispuestas periódicamente, concretamente metasuperficies, han demostrado ser útiles para lograr generadores de haces OAM ultrafinos e integrables para haces OAM de alta calidad. Sin embargo, las lentes de metasuperficie de banda ancha tradicionales generalmente requieren un procesamiento que requiere mucho tiempo y métodos de diseño iterativos complejos para lograr un control preciso del frente de onda. En comparación, los metalenses de grafeno con diseños simples son posibles mediante una nanoimpresión láser de un solo paso.
Los materiales de grafeno pueden manipular simultáneamente la amplitud y la fase de un haz de luz, lo que permite una gran flexibilidad y precisión en el diseño de la lente para lograr las distribuciones de intensidad focal deseadas. Recientemente, Cao et al. creó un nuevo metalente de grafeno que puede enfocar haces OAM de banda ancha mediante nanoimpresión láser ultrarrápida.
Se desarrolló un método basado en la técnica de la fase de desvío y las propiedades ópticas únicas del óxido de grafeno para diseñar los metalenses OAM de grafeno, que pueden controlar de forma independiente las propiedades de enfoque y la carga topológica del OAM al mismo tiempo. La capacidad de banda ancha de las lentes metálicas OAM de grafeno se demostró enfocando haces de luz óptica en diferentes longitudes de onda.
Las distribuciones de intensidad de enfoque experimentales casi reprodujeron las predicciones teóricas utilizando la teoría de la difracción de Rayleigh-Sommerfeld. Los metalentes de grafeno ultrafinos demostrados proporcionaron un enfoque simple y rentable para lograr un enfoque del haz OAM altamente integrado y de alta resolución. Encontrarán amplias aplicaciones en manipulación de haces ópticos y partículas, almacenamiento de datos, procesamiento de información cuántica y comunicaciones de multiplexación de modos en dispositivos fotónicos integrados.
Los metalenses de grafeno resultantes son prometedores para amplias aplicaciones en dispositivos ópticos y fotónicos integrados que utilizan haces OAM. Para estas aplicaciones, se desea un diámetro más pequeño del punto en forma de rosquilla. Los métodos que mejoran la fabricación, aumentan el tamaño de la lente metálica o utilizan otros materiales 2D con mayor contraste de índice de refracción son posibles para reducir el tamaño del punto en forma de rosquilla hasta cierto punto.
Sin embargo, el diámetro mínimo de la mancha en forma de rosquilla de grafeno OAM metalens sigue el límite de difracción. Para reducir aún más el tamaño del punto, se debería proponer la nueva teoría, tal vez la combinación de metales de superoscilación y carga de fase espiral sea uno de los métodos posibles.
Más información: Guiyuan Cao et al, Metales de momento angular orbital de grafeno difractivo de banda ancha mediante nanoimpresión láser, Ciencia ultrarrápida (2023). DOI:10.34133/ciencia ultrarrápida.0018
Proporcionado por Ultrafast Science
