Иллюстрация: Lu Chen et al. / Science Advances. Физики разработали платформу на основе так называемых метаповерхностей, позволяющую быстро задавать произвольные пространственно-временные характеристики световым импульсам. Эффективность метода была просто продемонстрирована генерацией импульсов с нестандартным поведением, таких как “световая катушка” и импульс с изменяющимся во времени орбитальным моментом. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances. В настоящее время для решения задач современной фотоники недостаточно пространственных и временных характеристик, присущих световым импульсам, генерируемым лазерами и светодиодами. Это вынуждает физиков усложнять оптические схемы, добавляя громоздкие элементы. Предложенная платформа на основе метаповерхностей может стать решением этой проблемы, позволяя задавать световым импульсам необходимые характеристики без использования дополнительных оптических элементов.
Модификация пространственной и временной формы световых импульсов преследует самые разные цели. Так, коррекция волнового фронта повышает разрешающую способность микроскопов, позволяет уместить в одном фотоне несколько бит информации, помогает создавать массивы пинцетов, закручивает свет и так далее. Временная коррекция, в свою очередь, необходима для повышения пиковой интенсивности импульса, эффективного разгона заряженных частиц и даже хранения квантовой информации. В некоторых же задачах требуется одновременная модификация как пространственных, так и временных свойств света, но пока у физиков нет универсальной платформы для таких манипуляций.
Лу Чэнь (Lu Chen) из Национального института стандартов и технологий вместе со своими американскими и китайскими коллегами решили внести свой вклад в этом направлении. Их работа основана на использовании линейки метаповерхностей, модифицирующей сразу все Фурье-компоненты падающего светового импульса. Преобразуя каждую компоненту, физики научились собирать их обратно в импульсы с произвольным распределением поляризации и волнового фронта во времени.
Идея предложенного метода основана на том, что каким бы сложным ни было желаемое пространственно-временное распределение светового импульса, его всегда можно представить в виде суммы плоских волн (разложить в ряд Фурье) со своими частотами, амплитудами, фазами и поляризациями. С другой стороны, точно также можно разложить и более простые импульсы, причем, компоненты обоих разложений могут быть связаны линейными преобразованиями, уже известными в прикладной оптике.
Схема, иллюстрирующая предложенную идею. Lu Chen et al. / Science Advances
В качестве простого импульса ученые использовали излучение титан-сапфирового лазера с длительностью 10 фемтосекунд и длиной волны 800 нанометров. Для разложения по компонентам авторы использовали эшелеттную дифракционную решетку, излучение от которой фокусировалось на плоскость (плоскость Фурье) с помощью внеосевого параболического зеркала. Каждому участку плоскости Фурье соответствовала компонента света своей частоты.
Сравнение измеренных (радужная линия) и рассчитанных (штриховая линия) зависимостей амплитуд обеих поляризаций и разности их фаз для модифицированного импульса. Lu Chen et al. / Science Advances
Для преобразования этих компонент физики располагали в плоскости Фурье длинную метаповерхность с соотношением сторон 2,3 сантиметра на 200 микрометров, разбитую на 201 суперпиксель, что соответствовало спектральному разрешению в один нанометр. Каждый суперпиксель, в свою очередь некоторым заранее рассчитанным образом преобразовывал свою компоненту с помощью массива наностержней, имеющих нужные размеры и ориентацию. Наностержни были получены из аморфного кремния методом электронно-лучевой литографии. Сборка преобразованных компонент происходила таким же способом, как и разложение (решетка + зеркало), но в обратном порядке.
Рассчитанное (слева) и измеренное (справа) поведение волнового фронта «световой катушки». Lu Chen et al. / Science Advances
В качестве демонстрации нового метода, физики превратили линейно поляризованный импульс с гауссовым профилем в импульс, поляризация которого совершает один полный оборот, а волновой фронт переносит орбитальный момент с топологическим зарядом —1. Изготовлению наностержней предшествовала оптимизация их передаточных свойств, сделанная методом минимизации добротности (minimization of a figure-of-merit function). Временные зависимости амплитуды, фазы и волнового фронта для получившегося импульса, измеренные с помощью соответствующих техник, оказались в хорошем согласии с расчетными.
Также авторы сделали металинейки, которые создавали импульс, центр волнового фронта которого описывает спираль в пространстве («световая катушка»), и импульс, чей орбитальный момент меняется со временем от +2 до −2. Предложенная технология статична, то есть для конкретного типа импульсов нужно каждый раз синтезировать новые метаповерхности. Авторы надеются, что применение активных метоповерхностей в будущем сможет исправить этот недостаток.
Мы уже писали про создание импульсов с изменяющимся во времени орбитальным моментом. В предыдущем исследовании для этого использовалась генерация высших гармоник в газах.
Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/
