Российские ученые создали метаповерхность, которая формирует излучение с геликоидальным волновым фронтом в средневолновом диапазоне ИК-спектра. В ходе исследования ученые разработали дизайн данной метаповерхности, произвели расчет пространственно-спектральных характеристик преобразованного излучения. По результатам моделирования была изготовлена метаповерхность для практической реализации и измерен профиль интенсивности преобразованного излучения с характерным провалом в центре пучка. Результаты исследования опубликованы в Оптическом журнале.
Вихревой лазерный пучок — особый тип лазерного пучка, обладающий орбитальным угловым моментом, что позволяет ему иметь спиральную (геликоидальную) структуру фазы. Уникальные физические свойства вихревых пучков открывают новые возможности или улучшают параметры в таких областях, как оптическая связь, высокоточное манипулирование микрочастицами, оптическая визуализация, квантовые информационные технологии, астрономия, оптическое обнаружение, медицинская диагностика и во многих других областях.
Рисунок 1. Геликоид. Источник: Википедия.
«Наша исследовательская группа занимается вопросами создания высокоскоростной атмосферной оптической линии связи на базе квантово-каскадных лазеров, — поделился Леонид Скворцов, профессор кафедры «Квантовой электроники» Московского физико-технического института. — Атмосферные оптические линии связи — это технология для построения высокоскоростных беспроводных защищённых каналов связи на основе передачи модулированных световых волн. Работая в ближнем и коротко волновом диапазоне ИК-спектра, коммерческие оптические линии связи могут обеспечивать связь с очень высокой скоростью передачи данных (десятки гигабит в секунду)».
Применение квантово-каскадных лазеров, работающих в среднем инфракрасном диапазоне спектра, может обеспечить существенные преимущества атмосферных оптических линий связи на их основе по сравнению с существующими коммерческими системами. В силу своей уникальной способности квантово-каскадные лазеры могут обеспечить высокую рабочую частоту и частоту модуляции до 100 ГГц. Последнее обстоятельство позволяет создать атмосферные оптические линии связи с очень высокой пропускной способностью, которые формируются благодаря быстродействующим модуляторам лазерного излучения для среднего ИК-диапазона спектра и широкополосных приемников излучения. Кроме того, в среднем ИК-диапазоне потери на рассеяние значительно меньше, а устойчивость к возмущениям внешний среды существенно выше, чем в ближнем инфракрасном и коротковолновом инфракрасном диапазоне спектра.
«В нашем исследовании мы используем вихревые пучки, так как с их помощью возможно увеличить пропускную способность оптических линий связи. Коаксиально распространяющиеся лучи, обладающие орбитальным угловым моментом, с различными азимутальными состояниями углового момента взаимно ортогональны. Поэтому перекрестные помехи между лучами могут быть сведены к минимуму, и лучи возможно эффективно мультиплексировать и демультиплексировать. В результате несколько состояний орбитальных угловых моментов можно было бы использовать в качестве различных несущих для мультиплексирования и передачи нескольких потоков данных, тем самым потенциально увеличивая пропускную способность системы», — объяснил Леонид Скворцов.
Однако в среднем ИК-диапазоне спектра до последнего времени отсутствовали материалы, которые могли бы служить пространственными фильтрами для формирования вихревых пучков. Существенным прорывом в этом направлении явилось появление метаповерхностей на основе кремния и прозрачной в ИК-области подложки (например, из сапфира), дизайн которых позволял их применение в среднем ИК-диапазоне. Диэлектрическая метаповерхность состоит из множества рассеивающих элементов, расположенных на плоской подложке, каждый из которых может быть рассмотрен как низкодобротный резонатор Фабри-Перо. Различные геометрические формы, размеры и компоновка этих элементов на метаповерхности позволяют точно управлять воздействием на свет, например, путем контроля размера и формы каждого элемента. Это позволяет создавать различные фазовые профили.
По результатам моделирования ученые создали метаповерхность, которая формирует геликоидальный волновой фронт вихревого потока. Она состоит из секторов, каждый из которых осуществляет соответствующий сдвиг по фазе. Рассеивающими элементами данной метаповерхности являются кремниевые нано-цилиндры с разными диаметрами. В качестве материала подложки был выбран сапфир (Al2O3) из-за его прозрачности в среднем ИК диапазоне. Материалом цилиндра служил поликристаллический кремний, т.к. он легко доступен и обладает высоким показателем преломления в среднем ИК-диапазоне спектра.
Рисунок 2. Дизайн метаповерхности, которая формирует геликоидальный волновой фронт. Источник: Оптический журнал
«Для изготовления метаповерхности мы использовали самые современные прецизионные технологии: методы плазменного химического осаждения из паровой фазы, электронно-лучевой литографии, термического испарения, атомно-слоевого осаждения, реактивного ионного травления в индуктивно-связанной плазме и анизотропного криотравления», — рассказал Леонид Скворцов.
Эксперимент с метаповерхностью, дизайн которой был разработан учеными, показал, что после прохождения лазерного излучения через данную поверхность, образуется вихревой пучок с кольцевым распределением интенсивности в поперечном сечении.
Рисунок 3. (а) Профиль пучка без использования метаповерхности. (б) Профиль пучка, прошедшего через метаповерхность. Темная область в центре соответствует фазовой сингулярности — области, где интенсивность света равна нулю. Источник: Оптический журнал
Из экспериментальных данных видно, что при прохождении излучения сквозь сконструированную метаповерхность, формируется вихревой пучок с кольцевым поперечным сечением характерным для геликоидального волнового фронта.
Также Леонид Скворцов поделился планами на будущее: «Сейчас мы решили только первую часть большой задачи, связанную с практической реализацией вихревого лазерного пучка в среднем инфракрасном диапазоне спектра. Мы будем продолжать исследования в области атмосферных линий связи с использованием квантово-каскадных лазеров. Теоретически “закрученность” света может быть сколь угодно большой, при этом у нее существует два направления. Это позволяет увеличивать плотность передаваемой посредством света информации без изменения других параметров, то есть, не расширяя частотный диапазон. Таким образом, существует принципиальная возможность модулировать орбитальный угловой момент света с целью увеличения информационной емкости канала передачи. Решение этой задачи для квантово-каскадных лазеров сделает атмосферные оптические линии связи на их основе особенно привлекательными».
В работе принимали участие ученые МФТИ, АО «НИИ “Полюс” им. М.Ф. Стельмаха», Физико-технического института им. К.А. Валиева РАН и Института сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники им. В.Г. Мокерова РАН. В экспериментах использовались отечественные квантово-каскадные лазеры, разработанные учеными из МФТИ, АО «НИИ “Полюс” им. М.Ф. Стельмаха» и Физико-технического института им. А.Ф. Йоффе РАН.
