Metasuperfície entra na cavidade da fibra laser para controle do modo espaço-temporal

23 de fevereiro de 2023

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por SPIE

As metasuperfícies são altamente versáteis para manipular a amplitude, fase ou polarização da luz. Durante a última década, as metasuperfícies foram propostas para uma vasta gama de aplicações - desde imagens e holografia até a geração de padrões complexos de campo de luz. No entanto, a maioria das metasuperfícies ópticas desenvolvidas até o momento são elementos ópticos isolados que funcionam apenas com fontes de luz externas.

Apesar de sua versatilidade para manipular um campo de luz espacialmente, a maioria das metasuperfícies tem apenas uma resposta fixa e invariante no tempo e uma capacidade limitada de controlar a forma temporal de um campo de luz. Para superar essas limitações, os pesquisadores estão procurando maneiras de usar metasuperfícies não lineares para modulação de campo de luz espaço-temporal. No entanto, a maioria dos materiais para a construção de metasuperfícies tem uma resposta óptica não linear relativamente limitada por conta própria.

Uma solução para a não linearidade limitada dos materiais da metasuperfície é o acoplamento de campo próximo a um meio com não linearidade óptica extremamente grande. Os materiais Epsilon-near-zero (ENZ), uma classe emergente de materiais com permissividade decrescente, têm atraído muita atenção nos últimos anos. Por exemplo, óxido de índio e estanho (ITO), um óxido de metal condutor amplamente utilizado como eletrodos transparentes em células solares e eletrônicos de consumo, normalmente tem permissividade além de zero no regime de infravermelho próximo.

Um material ENZ, com seu índice de refração linear próximo de zero, é dotado de um índice de refração não linear extremamente grande e coeficiente de absorção não linear.

Conforme relatado no Advanced Photonics, pesquisadores da Universidade de Tsinghua e da Academia Chinesa de Ciências geraram recentemente pulsos de laser com perfis espaço-temporais personalizados, incorporando diretamente um material ENZ acoplado a uma metasuperfície em uma cavidade de laser de fibra.

Os pesquisadores usaram a fase geométrica de uma metasuperfície feita de nano-antenas metálicas anisotrópicas espacialmente não homogêneas para adaptar o modo transversal do feixe de laser de saída. A absorção saturável não linear gigante do sistema ENZ acoplado permite a geração de laser pulsado por meio de um processo de comutação Q. Para fornecer um protótipo, os pesquisadores criaram um laser de vórtice pulsado em microssegundos com diferentes cargas topológicas.

Este trabalho fornece uma nova rota para construir um laser com um perfil de modo espaço-temporal personalizado de forma compacta. Para posterior miniaturização do sistema, a metasuperfície pode ser integrada na face da extremidade da fibra.

De acordo com o autor correspondente Yuanmu Yang, professor do Laboratório de Tecnologia e Instrumentos de Medição de Precisão da Universidade de Tsinghua, "Esperamos que nosso trabalho possa explorar ainda mais a versatilidade da metasuperfície para a manipulação do campo de luz espacial, com sua não linearidade gigante e adaptável para gerar feixes de laser com perfis espaciais e temporais arbitrários".

Yang observa que esse método inovador pode abrir caminho para a próxima geração de fontes de laser pulsadas miniaturizadas, que podem ser usadas em várias aplicações, como captura de luz, armazenamento óptico de alta densidade, imagens de superresolução e litografia a laser 3D.

Mais Informações: Wenhe Jia et al, metasurfaces espaço-temporais intracavitárias, Advanced Photonics (2023). DOI: 10.1117/1.AP.5.2.026002

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