Het creëren van een breedband diffractief grafeen orbitaal impulsmoment metalens door laser nanoprinting

Optische bundels met een orbitaal impulsmoment (OAM) trekken brede aandacht en spelen een belangrijke rol bij optische gegevensopslag, optische communicatie, kwantuminformatieverwerking, beeldvorming met superresolutie en optische opvang en manipulatie. Het omvangrijke volume en de complexe systemen van de conventionele OAM-bundelgeneratoren beperken echter hun toepassingen in geïntegreerde en geminiaturiseerde optische of fotonische apparaten.

In een studie gepubliceerd in het tijdschrift Ultrasnelle wetenschapCao en collega’s gebruikten de ultrasnelle laser-nanoprintmethode om enkele ultradunne (200 nm) grafeenmetalenses te vervaardigen, die OAM-generatie en focusfuncties met hoge resolutie in een brede bandbreedte integreren. Verwacht wordt dat de breedband grafeen-OAM-matalenses op grote schaal zullen worden toegepast in geminiaturiseerde en geïntegreerde fotonische apparaten die mogelijk worden gemaakt door OAM-bundels.

Nieuwe methoden gebaseerd op periodiek gerangschikte tweedimensionale nanostructuren, namelijk metasurfaces, zijn nuttig gebleken bij het realiseren van ultradunne en integreerbare OAM-bundelgeneratoren voor OAM-bundels van hoge kwaliteit. Traditionele breedband-metasurface-lenzen vereisen echter over het algemeen een tijdrovende verwerking en complexe iteratieve ontwerpmethoden om nauwkeurige golffrontcontrole te bereiken. Ter vergelijking: grafeenmetalensen met eenvoudige ontwerpen worden mogelijk gemaakt door laser-nanoprinting in één stap.

Grafeenmaterialen kunnen tegelijkertijd de amplitude en fase van een lichtbundel manipuleren, waardoor een hoge flexibiliteit en nauwkeurigheid in het lensontwerp mogelijk is om de gewenste brandpuntsintensiteitsverdelingen te bereiken. Onlangs hebben Cao et al. realiseerde een nieuwe grafeenmetalen die breedband OAM-stralen kan focusseren door ultrasnelle laser-nanoprinting.

Een methode gebaseerd op de omleidingsfasetechniek en unieke optische eigenschappen van grafeenoxide werd ontwikkeld om de grafeen OAM metalenses te ontwerpen, die tegelijkertijd de focusseringseigenschappen en de topologische lading van de OAM onafhankelijk kunnen regelen. Het breedbandvermogen van de grafeen OAM metalens werd gedemonstreerd door optische lichtbundels op verschillende golflengten te focusseren.

De experimentele verdelingen van de focusseringsintensiteit reproduceerden bijna de theoretische voorspellingen met behulp van de Rayleigh-Sommerfeld-diffractietheorie. De gedemonstreerde ultradunne grafeenmetalenses boden een eenvoudige en kosteneffectieve aanpak om sterk geïntegreerde OAM-bundelfocussering met hoge resolutie te bereiken. Ze zullen brede toepassingen vinden in optische bundel- en deeltjesmanipulaties, gegevensopslag, kwantuminformatieverwerking en mode-multiplexcommunicatie in geïntegreerde fotonische apparaten.

De resulterende grafeenmetalensen zijn veelbelovend voor brede toepassingen in geïntegreerde optische en fotonische apparaten met behulp van OAM-bundels. Voor deze toepassingen is een kleinere diameter van de donutvormige plek gewenst. De methoden die de fabricage verbeteren, de metalens-grootte vergroten of andere 2D-materialen gebruiken met een hoger brekingsindexcontrast, zijn mogelijk om de donutvormige vlekgrootte tot op zekere hoogte te verkleinen.

De minimale diameter van de donutvormige plek van grafeen OAM metalens volgt echter de diffractielimiet. Om de vlekgrootte verder te verkleinen zou de nieuwe theorie moeten worden voorgesteld; misschien is de combinatie van super-oscillatiemetalen en spiraalvormige fasebelasting een van de mogelijke methoden.