Физики научились менять в световых импульсах все и сразу

Физики предложили платформу, основанную на метаповерхностях, для придания световым импульсам произвольных характеристик одновременно и в пространстве, и во времени. Ученые продемонстрировали работоспособность своего метода, сгенерировав различные импульсы с экзотическим поведением, например, импульс типа «световая катушка» или импульс, чей орбитальный момент меняется со временем. Исследование опубликовано в Science Advances.

Для задач современной фотоники недостаточно пространственных и временных свойств, которыми обладают световые импульсы, испускаемые лазерами и светодиодами. По этой причине физикам приходится усложнять свои оптические схемы, внося в них дополнительные, зачастую довольно громоздкие элементы.

Модификация пространственной и временной формы световых импульсов преследует самые разные цели. Так, коррекция волнового фронта повышает разрешающую способность микроскопов, позволяет уместить в одном фотоне несколько бит информации, помогает создавать массивы пинцетов, закручивает свет и так далее. Временная коррекция, в свою очередь, необходима для повышения пиковой интенсивности импульса, эффективного разгона заряженных частиц и даже хранения квантовой информации. В некоторых же задачах требуется одновременная модификация как пространственных, так и временных свойств света, но пока у физиков нет универсальной платформы для таких манипуляций.

Лу Чэнь (Lu Chen) из Национального института стандартов и технологий вместе со своими американскими и китайскими коллегами решили внести свой вклад в этом направлении. Их работа основана на использовании линейки метаповерхностей, модифицирующей сразу все Фурье-компоненты падающего светового импульса. Преобразуя каждую компоненту, физики научились собирать их обратно в импульсы с произвольным распределением поляризации и волнового фронта во времени.

Идея предложенного метода основана на том, что каким бы сложным ни было желаемое пространственно-временное распределение светового импульса, его всегда можно представить в виде суммы плоских волн (разложить в ряд Фурье) со своими частотами, амплитудами, фазами и поляризациями. С другой стороны, точно так же можно разложить и более простые импульсы, причем, компоненты обоих разложений могут быть связаны линейными преобразованиями, уже известными в прикладной оптике.

В качестве простого импульса ученые использовали излучение титан-сапфирового лазера с длительностью 10 фемтосекунд и длиной волны 800 нанометров. Для разложения по компонентам авторы использовали эшелеттную дифракционную решетку, излучение от которой фокусировалось на плоскость (плоскость Фурье) с помощью внеосевого параболического зеркала. Каждому участку плоскости Фурье соответствовала компонента света своей частоты.

Для преобразования этих компонент физики располагали в плоскости Фурье длинную метаповерхность с соотношением сторон 2,3 сантиметра на 200 микрометров, разбитую на 201 суперпиксель, что соответствовало спектральному разрешению в один нанометр. Каждый суперпиксель, в свою очередь некоторым заранее рассчитанным образом преобразовывал свою компоненту с помощью массива наностержней, имеющих нужные размеры и ориентацию. Наностержни были получены из аморфного кремния методом электронно-лучевой литографии. Сборка преобразованных компонент происходила таким же способом, как и разложение (решетка + зеркало), но в обратном порядке.

В качестве демонстрации нового метода, физики превратили линейно поляризованный импульс с гауссовым профилем в импульс, поляризация которого совершает один полный оборот, а волновой фронт переносит орбитальный момент с топологическим зарядом —1. Изготовлению наностержней предшествовала оптимизация их передаточных свойств, сделанная методом минимизации добротности (minimization of a figure-of-merit function). Временные зависимости амплитуды, фазы и волнового фронта для получившегося импульса, измеренные с помощью соответствующих техник, оказались в хорошем согласии с расчетными.

Также авторы сделали металинейки, которые создавали импульс, центр волнового фронта которого описывает спираль в пространстве («световая катушка»), и импульс, чей орбитальный момент меняется со временем от +2 до −2. Предложенная технология статична, то есть для конкретного типа импульсов нужно каждый раз синтезировать новые метаповерхности. Авторы надеются, что применение активных метоповерхностей в будущем сможет исправить этот недостаток.

Мы уже писали про создание импульсов с изменяющимся во времени орбитальным моментом. В предыдущем исследовании для этого использовалась генерация высших гармоник в газах.