La metasuperficie entra en la cavidad de la fibra láser para el control del modo espaciotemporal

23 de febrero de 2023

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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 de campo de luz complejos. Sin embargo, la mayoría de las metasuperficies ópticas desarrolladas hasta la fecha son elementos ópticos aislados que funcionan solo con fuentes de luz externas.

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

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 épsilon-near-zero (ENZ), una clase emergente de materiales con permitividad que se desvanece, han llamado mucho la atención en los últimos años. Por ejemplo, el óxido de indio y estaño (ITO), un óxido de metal conductor ampliamente utilizado como electrodos transparentes en células solares y productos electrónicos de consumo, normalmente tiene una permitividad más allá de cero en el régimen del 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 mediante la incorporación directa de un material ENZ acoplado a una metasuperficie en una cavidad de fibra láser.

Los investigadores utilizaron la fase geométrica de una metasuperficie hecha de nanoantenas metálicas anisotrópicas espacialmente no homogéneas para adaptar el modo transversal del haz láser de salida. La absorción saturable no lineal gigante del sistema acoplado a ENZ permite la generación de láser pulsado a través de un proceso de conmutación Q. Para proporcionar un prototipo, los investigadores realizaron 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 se puede integrar 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 seguir explorando la versatilidad de la metasuperficie para la manipulación del campo de luz espacial, 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 de láser pulsado en miniatura, 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, Fotónica avanzada (2023). DOI: 10.1117/1.AP.5.2.026002

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