La métasurface entre dans la cavité de la fibre laser pour le contrôle du mode spatio-temporel

Jan 13, 2024

23 février 2023

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par SPIE

Les métasurfaces sont très polyvalentes pour manipuler l'amplitude, la phase ou la polarisation de la lumière. Au cours de la dernière décennie, les métasurfaces ont été proposées pour une vaste gamme d'applications, de l'imagerie et de l'holographie à la génération de modèles de champs lumineux complexes. Pourtant, la plupart des métasurfaces optiques développées à ce jour sont des éléments optiques isolés qui fonctionnent uniquement avec des sources de lumière externes.

Malgré leur polyvalence pour manipuler spatialement un champ lumineux, la plupart des métasurfaces n'ont qu'une réponse fixe et invariante dans le temps et une capacité limitée à contrôler la forme temporelle d'un champ lumineux. Pour surmonter ces limitations, les chercheurs étudient les moyens d'utiliser des métasurfaces non linéaires pour la modulation spatio-temporelle du champ lumineux. Cependant, la plupart des matériaux destinés à la construction de métasurfaces ont à eux seuls une réponse optique non linéaire relativement limitée.

Une solution à la non-linéarité limitée des matériaux de métasurface est le couplage en champ proche avec un milieu présentant une non-linéarité optique extrêmement grande. Les matériaux Epsilon proche de zéro (ENZ), une classe émergente de matériaux dont la permittivité est en voie de disparition, ont attiré beaucoup d'attention ces dernières années. Par exemple, l'oxyde d'indium et d'étain (ITO), un oxyde métallique conducteur largement utilisé comme électrodes transparentes dans les cellules solaires et l'électronique grand public, a généralement une permittivité supérieure à zéro dans le régime proche infrarouge.

Un matériau ENZ, avec son indice de réfraction linéaire proche de zéro, est doté d'un indice de réfraction non linéaire et d'un coefficient d'absorption non linéaire extrêmement élevés.

Comme indiqué dans Advanced Photonics, des chercheurs de l'Université Tsinghua et de l'Académie chinoise des sciences ont récemment généré des impulsions laser avec des profils spatio-temporels personnalisés en incorporant directement un matériau ENZ couplé à une métasurface dans une cavité laser à fibre.

Les chercheurs ont utilisé la phase géométrique d’une métasurface constituée de nano-antennes métalliques anisotropes spatialement inhomogènes pour adapter le mode transversal du faisceau laser de sortie. L'absorption saturable non linéaire géante du système couplé ENZ permet la génération de laser pulsé via un processus de commutation Q. Pour fournir un prototype, les chercheurs ont réalisé un laser vortex pulsé microseconde avec différentes charges topologiques.

Ce travail propose une nouvelle voie pour construire un laser avec un profil de mode spatio-temporel personnalisé sous une forme compacte. Pour une miniaturisation plus poussée du système, la métasurface peut être intégrée sur la face d'extrémité de la fibre.

Selon l'auteur correspondant Yuanmu Yang, professeur au Laboratoire clé d'État de technologie et d'instruments de mesure de précision de l'Université Tsinghua, "Nous espérons que nos travaux pourront approfondir l'exploration de la polyvalence des métasurfaces pour la manipulation spatiale du champ lumineux, avec sa non-linéarité géante et personnalisable pour générer des faisceaux laser. avec des profils spatiaux et temporels arbitraires.

Yang note que cette méthode innovante pourrait ouvrir la voie à la prochaine génération de sources laser pulsées miniaturisées, qui pourraient être utilisées dans diverses applications, telles que le piégeage de la lumière, le stockage optique haute densité, l'imagerie superrésolution et la lithographie laser 3D.

Plus d'information: Wenhe Jia et al, Métasurfaces spatio-temporelles intracavité, Advanced Photonics (2023). DOI : 10.1117/1.AP.5.2.026002

Fourni par SPIE