Onderzoeksteam ontwikkelt multifunctionele vortexbundel voor UV-zichtbare spectra

De Vierde Industriële Revolutie zorgt voor een exponentiële groei in datatransmissie, en kosteneffectieve, ultrasnelle en compacte optische communicatietechnologieën zijn dringend nodig om het exploderende datatransmissievolume te beheersen. Vortexbundels, die een wervelende vorm rond de voortplantingsas vertonen, hebben het potentieel om de hoeveelheid informatie die op dezelfde frequentie kan worden opgeslagen, te vergroten.

Als zodanig vertegenwoordigen ze een veelbelovende weg voor de ontwikkeling van optische communicatietechnologieën met hoge capaciteit die 5G overtreffen en de weg vrijmaken voor 6G. Daartoe heeft een onderzoeksteam van Pohang University of Science and Technology (POSTECH) een vortexstraal ontwikkeld die in staat is om te functioneren met een breed scala aan lichtfrequenties door het gebruik van een metasurface.

De bevindingen worden gepubliceerd in het tijdschrift Nano-brieven.

Professor Junsuk Rho (Departement Werktuigbouwkunde en Chemische Technologie), samen met Ph.D. kandidaat Joohoon Kim (afdeling Werktuigbouwkunde) leidde het team dat een metasurface voorstelde dat in staat was om onafhankelijk twee orthogonale polarisatietoestanden te regelen over de breedbandgolflengten van ultraviolet naar zichtbaar licht. Bovendien toonden de onderzoekers het vermogen aan om vortexstralen met verschillende topologische ladingen te creëren en te detecteren met behulp van het metasurface.

Orbitaal impulsmoment (OAM) is een term die wordt gebruikt om het wervelende patroon te beschrijven dat licht tijdens het reizen aanneemt. Wanneer licht dit wervelende patroon aanneemt, wordt het een wervelbundel genoemd. Vortexstralen kunnen meer informatie opslaan met dezelfde frequentie of polarisatietoestand dan conventionele lichtstralen.

De onafhankelijke wervelstraal van optische wervelstralen heeft ze tot een essentieel hulpmiddel in optica gemaakt met verschillende toepassingen, waaronder optische pincetten en het maken van holografische video’s. Voor het creëren van optische vortexbundels was echter van oudsher omvangrijke en zware apparatuur nodig, ruimtelijke lichtmodulatoren (SLM’s) genoemd. Bovendien was de introductie van ultraviolette optische vortexstralen een uitdaging vanwege het gebrek aan SLM’s die in dit bereik werken.

Recente vorderingen in de nanofabricagetechnologie hebben de realisatie mogelijk gemaakt van zeer efficiënte, breedbandige en multifunctionele metasurfaces die in staat zijn om veel lichteigenschappen te moduleren, waaronder fase, amplitude en polarisatie. Ondanks deze vorderingen en voortdurende onderzoeksinspanningen blijft het beheersen van licht in het ultraviolette bereik echter een uitdaging.

Het onderzoeksteam koos voor een dun en lichtgewicht metasurface om een ​​polarisator te creëren die optische wervelstralen kan genereren bij blootstelling aan ultraviolet licht, in tegenstelling tot de omvangrijke en zware SLM’s die traditioneel voor dit doel worden gebruikt. De onderzoekers gebruikten siliciumnitride, een materiaal met een hoge brekingsindex en geen absorptie van ultraviolet licht.

Een van de beperkingen van metasurfaces is dat hun functie permanent vastligt nadat ze zijn verwerkt, waardoor ze moeilijk te wijzigen zijn. In deze studie brak het team echter de rotatiesymmetrie van het metasurface om het te ontwerpen met verschillende functies, afhankelijk van de polarisatie van het binnenkomende licht. Door deze aanpak kan meer informatie op één metasurface worden opgeslagen, waardoor potentiële toepassingen op verschillende gebieden worden geopend.

Professor Rho legde uit: “Ons onderzoek bevestigde de multifunctionaliteit van metasurfaces, die optische vortexbundels kunnen creëren met verschillende topologische ladingen op basis van de polarisatietoestand van het binnenkomende licht. De creatie van ultraviolette optische vortexbundels breidt ook de potentiële toepassingen van optische vortexbundels uit. ”