Metasurface ingresa a la cavidad de la fibra láser para el control del modo espaciotemporal

Jan 13, 2024

23 de febrero de 2023

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por SPIE

Las metasuperficies son muy versátiles para manipular la amplitud, la fase o la polarización de la luz. Durante la última década, se han propuesto metasuperficies para una amplia gama de aplicaciones, desde imágenes y holografía hasta la generación de patrones complejos de campos de luz. Sin embargo, la mayoría de las metasuperficies ópticas desarrolladas hasta la fecha son elementos ópticos aislados que funcionan únicamente con fuentes de luz externas.

A pesar de su versatilidad para manipular espacialmente un campo de luz, la mayoría de las metasuperficies tienen sólo una respuesta fija e invariante en el tiempo y una capacidad limitada para controlar la forma temporal de un campo de luz. Para superar estas limitaciones, los investigadores están buscando formas de utilizar metasuperficies no lineales para la modulación espaciotemporal del campo de luz. Sin embargo, la mayoría de los materiales para la construcción de metasuperficies tienen por sí solos una respuesta óptica no lineal relativamente limitada.

Una solución a la no linealidad limitada de los materiales de la metasuperficie es el acoplamiento de campo cercano a un medio con una no linealidad óptica extremadamente grande. Los materiales Epsilon-near-zero (ENZ), una clase emergente de materiales con permitividad que desaparece, han llamado mucho la atención en los últimos años. Por ejemplo, el óxido de indio y estaño (ITO), un óxido metálico conductor ampliamente utilizado como electrodos transparentes en células solares y electrónica de consumo, normalmente tiene una permitividad superior a cero en el régimen de infrarrojo cercano.

Un material ENZ, con su índice de refracción lineal cercano a cero, está dotado de un índice de refracción no lineal y un coeficiente de absorción no lineal extremadamente grandes.

Como se informó en Advanced Photonics, investigadores de la Universidad de Tsinghua y la Academia de Ciencias de China generaron recientemente pulsos láser con perfiles espaciotemporales personalizados incorporando directamente un material ENZ acoplado a una metasuperficie en una cavidad de láser de fibra.

Los investigadores utilizaron la fase geométrica de una metasuperficie hecha de nanoantenas metálicas anisotrópicas espacialmente no homogéneas para adaptar el modo transversal del rayo láser de salida. La gigantesca absorción saturable no lineal del sistema acoplado a ENZ permite la generación de láser pulsado mediante un proceso de conmutación Q. Para crear un prototipo, los investigadores desarrollaron un láser de vórtice pulsado de microsegundos con cargas topológicas variables.

Este trabajo proporciona una nueva ruta para construir un láser con un perfil de modo espaciotemporal personalizado en una forma compacta. Para una mayor miniaturización del sistema, la metasuperficie puede integrarse en la cara del extremo de la fibra.

Según el autor correspondiente, Yuanmu Yang, profesor del Laboratorio Estatal Clave de Tecnología e Instrumentos de Medición de Precisión de la Universidad de Tsinghua, "esperamos que nuestro trabajo pueda explorar más a fondo la versatilidad de la metasuperficie para la manipulación espacial del campo de luz, con su no linealidad gigante y adaptable para generar rayos láser". con perfiles espaciales y temporales arbitrarios."

Yang señala que este método innovador puede allanar el camino para la próxima generación de fuentes láser pulsadas miniaturizadas, que podrían usarse en diversas aplicaciones, como captura de luz, almacenamiento óptico de alta densidad, imágenes de superresolución y litografía láser 3D.

Más información: Wenhe Jia et al, Metasuperficies espaciotemporales intracavitarias, Advanced Photonics (2023). DOI: 10.1117/1.AP.5.2.026002

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