Die Metaoberfläche gelangt zur räumlich-zeitlichen Modensteuerung in den Hohlraum der Laserfaser

Jan 13, 2024

23. Februar 2023

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von SPIE

Metaoberflächen sind äußerst vielseitig zur Manipulation der Amplitude, Phase oder Polarisation von Licht. Im letzten Jahrzehnt wurden Metaoberflächen für eine Vielzahl von Anwendungen vorgeschlagen – von der Bildgebung und Holographie bis hin zur Erzeugung komplexer Lichtfeldmuster. Dennoch handelt es sich bei den meisten bisher entwickelten optischen Metaoberflächen um isolierte optische Elemente, die nur mit externen Lichtquellen funktionieren.

Trotz ihrer Vielseitigkeit bei der räumlichen Manipulation eines Lichtfelds verfügen die meisten Metaoberflächen nur über eine feste, zeitinvariante Reaktion und eine begrenzte Fähigkeit, die zeitliche Form eines Lichtfelds zu steuern. Um solche Einschränkungen zu überwinden, suchen Forscher nach Möglichkeiten, nichtlineare Metaoberflächen für die räumlich-zeitliche Lichtfeldmodulation zu nutzen. Die meisten Materialien zum Aufbau von Metaoberflächen haben jedoch für sich genommen eine relativ begrenzte nichtlineare optische Reaktion.

Eine Lösung für die begrenzte Nichtlinearität von Metaoberflächenmaterialien ist die Nahfeldkopplung an ein Medium mit extrem großer optischer Nichtlinearität. Epsilon-near-zero (ENZ)-Materialien, eine aufstrebende Materialklasse mit verschwindender Permittivität, haben in den letzten Jahren viel Aufmerksamkeit erregt. Beispielsweise weist Indiumzinnoxid (ITO), ein leitfähiges Metalloxid, das häufig als transparente Elektroden in Solarzellen und Unterhaltungselektronik verwendet wird, im Nahinfrarotbereich typischerweise eine Dielektrizitätskonstante über Null auf.

Ein ENZ-Material, dessen linearer Brechungsindex gegen Null geht, ist mit einem extrem großen nichtlinearen Brechungsindex und nichtlinearen Absorptionskoeffizienten ausgestattet.

Wie in Advanced Photonics berichtet, erzeugten Forscher der Tsinghua-Universität und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften kürzlich Laserimpulse mit maßgeschneiderten räumlich-zeitlichen Profilen, indem sie ein ENZ-Material, das an eine Metaoberfläche gekoppelt war, direkt in einen Faserlaserhohlraum einbauten.

Die Forscher nutzten die geometrische Phase einer Metaoberfläche aus räumlich inhomogenen anisotropen metallischen Nanoantennen, um den Transversalmodus des Ausgangslaserstrahls anzupassen. Die riesige nichtlineare sättigbare Absorption des ENZ-gekoppelten Systems ermöglicht die Erzeugung gepulster Laser über einen Güteschaltprozess. Um einen Prototyp bereitzustellen, realisierten die Forscher einen im Mikrosekundenbereich gepulsten Wirbellaser mit unterschiedlichen topologischen Ladungen.

Diese Arbeit bietet eine neue Möglichkeit, einen Laser mit einem maßgeschneiderten räumlich-zeitlichen Modenprofil in kompakter Form zu konstruieren. Zur weiteren Systemminiaturisierung kann die Metaoberfläche auf der Faserendfläche integriert werden.

Laut korrespondierendem Autor Yuanmu Yang, Professor am State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments der Tsinghua University, „hoffen wir, dass unsere Arbeit die Vielseitigkeit von Metaoberflächen für die räumliche Lichtfeldmanipulation mit ihrer riesigen und anpassbaren Nichtlinearität zur Erzeugung von Laserstrahlen weiter erforschen wird.“ mit beliebigen räumlichen und zeitlichen Profilen.“

Yang weist darauf hin, dass diese innovative Methode den Weg für die nächste Generation miniaturisierter gepulster Laserquellen ebnen könnte, die in verschiedenen Anwendungen wie Lichteinfang, hochdichter optischer Speicherung, hochauflösender Bildgebung und 3D-Laserlithographie eingesetzt werden könnten.

Mehr Informationen: Wenhe Jia et al., Intracavity spatiotemporal metasurfaces, Advanced Photonics (2023). DOI: 10.1117/1.AP.5.2.026002

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