Uzay-zaman faz modülasyonu meta yüzeyine dayanan karşılıklı olmayan ışık yayılımının yeni bir yöntemi
Son zamanlarda, Pennsylvania Eyalet Üniversitesi Elektronik Mühendisliği Bölümü'nden Profesör Xingjie Ni'nin araştırma ekibi, uzay-zaman faz modülasyonu ile ultra ince üst yüzeylerde karşılıksız ışığın gerçekleştirilmesini öneren "Uzay-Zaman Faz Modülasyonlu Karşılıksız Metasurface" başlıklı bir makale yayınladı. Yeni yayma yöntemi. Araştırmacılar, ultra hızlı zaman fazı modülasyonu ekleyerek dinamik meta yüzey tasarımını deneysel olarak doğruladılar. Metasurada dinamik faz değişimi sağlamak için iki uyumlu dalganın heterodin girişimiyle üretilen çok terahertz zamanla değişen modülasyonu birleştirdiler. Bu yöntem, kompakt ve entegre edilebilir karşılıklı olmayan optik bileşenlerin üretimi için potansiyel bir fikir sağlar. Araştırma sonuçları Aralık ayında "Light: Science and Applications" dergisinde yayınlandı.
Araştırma Geçmişi
Işığın yayılması karşılıklıdır, yani ışığın bir yöndeki yayılma yörüngesi, ters yöndeki yayılma yörüngesiyle aynıdır. Asimetrik optik akış gerektiren optik sistemlerde, karşılıklılığı kırmak önemlidir. Karşılıklılığı kırmak, ışığın yalnızca bir yönde hareket etmesine izin verir. İzolatörler ve sirkülatörler gibi bu tek yönlü optik akışı destekleyen optik bileşenler, modern lazer ve iletişim sistemlerinde vazgeçilmez bileşenlerdir. Bununla birlikte, mevcut optik karşılıklı olmama, neredeyse tamamen, modern minyatürleştirilmiş fotonik sistemlerle uyumsuz olan manyeto-optik malzemeler tarafından gerçekleştirilmektedir. Karşılıklı olmayan optik bileşenlerin manyeto-optik etkilerine dayalı cihazlar hantaldır ve entegre edilmesi zordur. Birçok optik uygulamada, manyetik olmayan karşılıklı olmayan optik iletimin gerçekleştirilmesi çok gereklidir. Ek olarak, alt dalga boyu etkileşim uzunluğunun karşılıklı olmaması ve THz bant genişliğinden daha büyük ultra hızlı modülasyon frekansı, şimdiye kadar gerçekleştirilmemiş bir teknik problemdir.
İnovasyon araştırması
Bu makale ilk kez, ışığın optik frekanslarda boş uzayda karşılıklı olmayan yayılmasını gerçekleştirmek için yeni bir tür optik meta yüzey kullanıldığını önermektedir. Bu, geniş hacimli bir mıknatıs olmadan optik karşılıklılığı bozabilen, kontrol edilebilir ultra hızlı, zamanla değişen özelliklere sahip optik bir meta yüzeydir. Yeni metasurface, bir gümüş reflektörden ve yaklaşık 860 nm'lik bir yakın kızılötesi dalga boyunda büyük bir doğrusal olmayan Kerr katsayısına sahip bir yığın silikon nano antenden oluşuyor. Araştırmacılar, yaklaşık 2.8THz'lik bir zaman modülasyon frekansı ile ultra hızlı uzay-zamansal faz modülasyonu elde etmek için yakın frekans aralıklarına sahip iki lazer hattı arasındaki heterodin girişimini kullandılar. Bu dinamik modülasyon tekniği, uzay ve zaman modülasyon frekansı açısından büyük esneklik gösterir. Deneyde, araştırmacılar, 150 nm alt dalga boyu etkileşim uzunluğunda yaklaşık 5.77THz geniş bantta ışığın tam asimetrik yansımasını gerçekleştirdiler. Ek olarak, makale, metasuray geometrisi tarafından sağlanan tek yönlü momentum aktarımını kullanarak, seçici foton dönüşümünün, yasaklı alanda, yani yayılmayan alanda istenmeyen bir çıktı durumu tasarlayarak serbestçe kontrol edilebileceğini önermektedir. Bu yöntem, ışığın momentum ve enerji uzayını kontrol etmede iyi bir esneklik gösterir. Zamanla değişen materyallerin özelliklerinden kaynaklanan ilginç fiziksel olayları keşfetmek için yeni bir platform sağlayacak ve ölçeklenebilir, entegre edilebilir ve manyetik olmayan karşılıklı cihazların geliştirilmesi için yeni bir paradigma açacaktır.
Şekil 1 Karşılıklı olmayan uzay-zaman faz modülasyonu metasurfunun çalışma prensibi.
(a) Rezonant dielektrik nano antenlerden oluşan uzay-zaman faz modülasyonu meta yüzey yansıma modunun şematik diyagramı. Bir sinüzoidal kayma faz modülasyonu, x yönü boyunca tasarlanan faz gradyanı üzerine bindirilir. Metasurada frekans ışığı vurulduğunda, dinamik faz modülasyonu nedeniyle frekansın yansıyan ışığına dönüştürülür ve geri yayılan ışık demetinin frekansı, karşılıklı olmayan bir etki oluşturmak için değiştirilir. Kontrast sıradan uzay modülasyonu metasurface (b) (c) ve spatiotemporal faz modülasyonu metasurface (d) (e). Sıradan uzaysal modülasyon meta yüzeyleri, şekilde gösterildiği gibi yalnızca simetrik ileri (b) ve ters (c) yansımaları destekler. Frekans dönüşümü yok. Bu işlem, iki ışının önceki ve sonraki aynı yörüngesini karşılıklı, aynı yörüngede yapar. Uzay-zaman faz modülasyonu meta yüzeyi asimetrik ileri (b) ve ters (c) yansımaları destekler. Yalnızca x yönü boyunca ek ivme sağlamakla kalmaz, aynı zamanda verimliliği de dönüştürür. İleri veya geri yönden bağımsız olarak yukarı geçiş yasaktır, üretilen dalga vektörü çok büyük olduğu için boş uzayda desteklenemez, bu da enerji ve momentum uzayında tek yönlü bir foton geçişi ile sonuçlanır. Bu nedenle, ışının yörüngesi farklıdır ve karşılıklı olmayan bir etki gösterir. Uzaysal faz modülasyonu için getirilen doğrusal momentum ve zaman faz modülasyonu için eklenen ek doğrusal momentum.
Şekil 2 Metasurface tasarımı ve karakterizasyonu.
(a) Üç tek kristal olmayan silikon nanorod antenden oluşan, meta yüzey üzerindeki tek bir birimin 3 boyutlu şematik diyagramı. Gümüş parlatma plakasının, silikon dioksit aralayıcı tabakanın ve tek olmayan kristal silikonun kalınlığı sırasıyla 200nm, 50nm ve 150nm'dir. (b) Tek bir nano antenin farklı parametrelerini ve karşılık gelen faz kaymalarını hesaplayın. Pompa ışığı 15GW / cm2 yoğunlukta ışınlandığında, 0.32 radyan (siyah noktalı çizgi) pompa faz kayması değişikliği gösteren kontur çizgileriyle kaplanır. Beyaz çizgi, statik koşullar altında eşit aralıklarla faz kaymasını temsil eden kontur çizgisidir. Kırmızı içi boş prizmalarla işaretlenmiş üç farklı nano anten yapısı, bir meta yüzey oluşturmak için 2 / 3 aralıklarla 2 statik faz kaymasını kapsar. (c) İşlenmiş tek kristal olmayan silikon üst yüzeyin FESEM görüntüsü. Ana görüntünün ve şeklin ölçek çubukları sırasıyla 1m ve 200nm'dir. (d) = 1.5m, 680nm'den 1000nm'ye dalga boyuna sahip ışık, ölçülen (kırmızı daire) ve hesaplanan (mavi çizgi) anormal yansıma açısını elde etmek için metasurfte meydana gelir. Ekte, = 860nm'lik anormal yansıma açısının 1.2m'den 1.8m'ye değişimini göstermektedir. Deneysel sonuçlar temelde teori ile tutarlıdır.
Şekil 3 Kontrol edilebilir uzay-zaman faz modülasyon deneyi.
(a) Frekansları birbirine yakın olan ve sırasıyla olay açısında ve sırasıyla metasüzeye çarpan iki pompa kirişinin gösterildiği gösterilmiştir. Meta yüzeyde bir periyot ve hız ile girişim saçakları üretirler. Hareketli girişim saçakları nedeniyle, meta yüzeydeki nano antenler faz kaymasında zamanla değişir. (b) Deneysel cihazın şematik diyagramı. 800nm Ti: Sapphire femtosaniye darbeli lazerin çıkışı iki ışına bölünmüştür: bir ışın, frekans kaydırmalı pompa ışığı üretmek için doğrudan iletim ızgarasından geçirilir; diğeri, ayarlanabilir dalga boyuna sahip bir prob ışını oluşturmak için bir fotonik kristal fibere (PCF) gönderilir. Üç ışın arasında zaman senkronizasyonu sağlamak için iki gecikme hattı kullanılır. Asferik lens, pompayı ve prob ışınlarını metasuraya odaklar. Yansıtılan sinyal D-şekilli ayna tarafından alınır ve spektrometre tarafından tespit edilir. Asferik lensin Fourier düzleminde toplanan spektrumu izleyerek, yansıyan sinyalin frekansını ve momentumunu çizeriz. (c) İki pompa ışınının spektrumları 6 nm'lik bir dalga boyu farkı gösterir (2.8 THz'lik a f'ye karşılık gelir). (d) İki boyutlu Fourier dönüşümlü girişim modeli İki pompa ışını, açıklama ve aynı, boş alanda 860 nm dalga boyuna sahip prob ışığının dalga vektörüdür.
Şekil 4 Uzamsal-zamansal faz modülasyonu ile meta yüzeyde karşılıklı olmayan ışık yansımasının deneysel çalışması.
(a) Normalde meta yüzeyde meydana gelen sonda ışınının enerji-momentum diyagramının dinamik modülasyonu altında, sinyal f = 345.8 THz ve kx = 0.18k prob varlığında dönüştürülür. (b) Geriye dönük durumda, önceki sinyalle aynı frekansta (f = 345.8 THz) ancak ters yönde (kx = -0.18k prob) sonda ışını meta yüzeye gönderilir. Enerji-momentum diyagramı, normal yönde (kx = 0) f = 342.0 THz'de aşağı hareket eden sinyal çıkışını gösterir. Her iki durumda da, dönüştürülen sinyal daha iyi görüntü için büyütülmüştür (büyütülmüş alan beyaz bir kutu ile çevrilidir). Bu sonuçlar, Şekil 1d ve Şekil e'de gösterilen teorik tahminlerle tam uyum içindedir. İlgili bölgede (tüm olası foton geçişleri), dönüştürülen sinyalin algılanmasını sağlamak için daha hassas bir tarama adımı boyutu ve daha uzun bir spektrometre entegrasyon süresi kullanılır. Üst yan bantların veya yüksek momentumlu yan bantların olabileceği alanlarda, yükseltildiğinde bile sinyal algılanmaz. Bu nedenle, burada yalnızca birinci dereceden dönüşümün gerçekleştiği alan genişletilir.
Şekil 5 Foton geçişinin yönlü seçicilik deneyi.
(a) Yalnızca kM = 0.32kprobe ve? f = 2.8 THz (ks = 0.72kprobe) tarafından modüle edilen üst yüzey aşağı doğru foton dönüşümüne uğrayacaktır. Dönüştürülen sinyal, daha iyi görüntü için iki kat büyütülür. (b) Tersine, ks = -0.72kprobe ile metasurf üzerinde aynı zaman faz modülasyonu gerçekleştirildiğinde, sadece yukarı doğru foton dönüşümü gerçekleşecektir. Dönüştürülen sinyal daha iyi görüntü için büyütülür (büyütülmüş alan beyaz bir kutu ile çevrilidir).
(Kaynak: Ye Xin)
İlgili kağıt bilgileri: https://doi.org/10.1038/s41377-019-0225-z
Telif hakkı bildirimi: Bu makale yalnızca bilgi yayma amacıyla çoğaltılmıştır ve bu web sitesinin görüşlerini temsil ettiği veya içeriğinin gerçekliğini doğruladığı anlamına gelmez; diğer medya, web siteleri veya bireyler bu web sitesini çoğaltıp kullanırlarsa, bu web sitesinde belirtilen bilgileri saklamaları gerekir. "Kaynak" ve telif hakkı gibi yasal sorumluluk taşıyor; yazar yeniden basılmak istemiyorsa veya yeniden basım ücretleri ve diğer konularla iletişime geçmek istemiyorsa, lütfen bizimle iletişime geçin.
