DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-47475-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38594345
تاريخ النشر: 2024-04-09
المؤلف: Pengcheng Huo وآخرون
الموضوع الرئيسي: الزخم الزاوي المداري في البصريات
نظرة عامة
تقدم البحث نهجًا جديدًا لتوليد حزم دوامات بصرية زمنية مكانية (STOV)، والتي تعتبر حاسمة للتفاعلات المتقدمة بين الضوء والمادة بسبب زخمها الزاوي المداري العرضي. يقترح المؤلفون منصة أحادية النطاق على مقياس ميكروي تستخدم شبكة نانوية مائلة، تستفيد من التفرد الطوبولوجي الناتج عن خصائص تماثل الشبكة. يسمح هذا الأسلوب بالتوليد الفعال لـ STOVs من خلال تحويل فورييه للطور الحلزوني في فضاء الزخم-التردد إلى المجال الزمني المكاني. تظهر النتائج التجريبية كفاءة توليد تتجاوز 40% مع ملاحظة تطور الزمان والمكان لـ STOVs المحمولة بواسطة نبضات فمتوثانية باستخدام تداخل زمني محسوب.
تسلط الدراسة الضوء على قيود تقنيات توليد STOV الحالية، والتي غالبًا ما تتضمن عمليات غير خطية غير فعالة أو إعدادات معقدة. من خلال استخدام منصة مدمجة ومتعددة الاستخدامات تعتمد على الهياكل النانوية، لا يساهم هذا العمل فقط في تقدم مجال تشكيل نبضات الضوء ولكن أيضًا يضع الأساس لنظام متكامل بالكامل قادر على معالجة الضوء الزمني المكاني. تساهم النتائج في الفهم الأوسع للدوامات البصرية، التي لها تطبيقات عبر مجالات مختلفة، من البصريات الكلاسيكية إلى الكمومية.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون الطرق التجريبية المستخدمة لتوليد دوامات بصرية زمنية مكانية (STOVs) من خلال شبكة نانوية مائلة مصنوعة على ركيزة سيليكون رقيقة. تم إنشاء الشبكة المائلة باستخدام تقنيات متقدمة مثل ترسيب البخار الكيميائي المعزز بالبلازما وتقنية الطباعة الحجرية بالأشعة الإلكترونية، وتتميز بزاوية ميل دقيقة تبلغ حوالي 15°، وهي حاسمة للتحكم في الخصائص البصرية للجهاز. يكشف التوصيف البصري للجهاز عن حد أدنى واضح في طيف النقل المعتمد على الزاوية، مما يدل على التفرد المنعزل ذو القيمة الصفرية الضروري لتوليد STOV.
تستخدم الإعدادات التجريبية تقنية تداخل مسح زمني محسوب، باستخدام نبضة فمتوثانية فائقة السرعة لاستكشاف الجهاز. من خلال تعديل زمن التأخير للنبضة المرجعية، يلتقط الباحثون توزيع الطور الزمني المكاني للنبضة المنقولة، والتي تظهر غلاف موجي على شكل دونات مع تفرد طور حلزوني من الشحنة الطوبولوجية \( l = 1 \). تسجل الدراسة كفاءة توليد STOV متوسطة تبلغ حوالي 42%، مع إمكانية التحسين من خلال تعديلات على طيف النبضة الساقطة أو تصميم الشبكة. تشير النتائج إلى أن الطريقة المقترحة تبسط توليد STOV وتفتح آفاقًا لتطبيقات متقدمة في تشكيل النبضات الفائقة السرعة ومعالجة الضوء الزمني المكاني.
نقاش
في هذا القسم، يناقش المؤلفون الإطار النظري والتصميم التجريبي لتوليد دوامات بصرية زمنية مكانية (STOVs) باستخدام شبكة نانوية مائلة. يدعم الجهاز البصري، المكون من شبكة مائلة أحادية البعد مصنوعة من السيليكون على ركيزة سيليكا، أوضاع كهربائية عرضية (TE) تظهر حالات مقيدة في الاستمرارية (BIC) تحت ظروف تماثل محددة. يؤدي إدخال زاوية الميل $\theta$ إلى كسر تماثل C2، مما يحول BIC إلى وضع ذو عامل جودة نهائي، مما يسهل تبادل الطاقة مع الموجات الخارجية. يتم تحليل تفاعل نبضة ضوء فائقة السرعة مع الشبكة النانوية من خلال نظرية الوضع المرتبط الزمني (TCMT)، مما يكشف أن النبضة يمكن أن تُحلل إلى مكونات إما تنقل مباشرة أو تثير رنينات، مما يؤدي في النهاية إلى توليد STOV يتميز بمرحلة حلزونية في مجال الزمان-المكان.
تم تحسين تصميم الشبكة النانوية المائلة لضمان متانة شروط التفرد اللازمة لتوليد STOV. يدمج المؤلفون عوامل فقدان غير إشعاعية في نموذج TCMT الخاص بهم، مؤكدين أن تفردًا معزولًا يمكن تحقيقه في مركز منطقة بريلوان تحت ظروف محددة. تظهر المحاكاة العددية أن موضع التفرد يتحول مع زوايا الميل المتغيرة، مع اختيار زاوية معتدلة قدرها $\theta = 15^\circ$ للتحقق التجريبي. تكشف المحاكاة الناجحة لنبضة غاوسية مضغوطة تمر عبر الجهاز عن توزيع كثافة على شكل دونات في المجال الزمني المكاني، مما يدل على STOV بشحنة طوبولوجية قدرها $l = +1$. يتم تفصيل عملية تصنيع الشبكة النانوية المائلة، والتي تشمل تقنيات متقدمة مثل الطباعة الحجرية بالأشعة الإلكترونية وحفر الأيونات التفاعلية، مما يضمن التحكم الدقيق في معلمات الشبكة. أخيرًا، تسمح طرق التوصيف البصري المستخدمة، بما في ذلك تداخل مسح ماتش-زهنر، باستخراج كل من معلومات الكثافة والطور من STOV الناتج، مما يسهل تحليلًا شاملاً لخصائصه.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-47475-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38594345
Publication Date: 2024-04-09
Author(s): Pengcheng Huo et al.
Primary Topic: Orbital Angular Momentum in Optics
Overview
The research presents a novel approach for generating spatiotemporal optical vortex (STOV) beams, which are crucial for advanced light-matter interactions due to their transverse orbital angular momentum. The authors propose a microscale singlet platform utilizing a slanted nanograting, which exploits the topological singularity from the symmetry properties of the grating. This method allows for the efficient generation of STOVs through the Fourier transform of the spiral phase in momentum-frequency space to the spatiotemporal domain. Experimental results demonstrate a generation efficiency exceeding 40% while observing the space-time evolution of STOVs carried by femtosecond pulses using time-resolved interferometry.
The study highlights the limitations of existing STOV generation techniques, which often involve inefficient nonlinear processes or cumbersome setups. By employing a compact and versatile platform based on nanostructures, this work not only advances the field of light pulse shaping but also lays the groundwork for a fully integrated system capable of spatiotemporal light manipulation. The findings contribute to the broader understanding of optical vortices, which have applications across various domains, from classical to quantum optics.
Methods
In this section, the authors detail the experimental methods used to generate spatiotemporal optical vortices (STOVs) through a slanted nanograting fabricated on a thin-film silicon substrate. The slanted grating, created using advanced techniques such as plasma-enhanced chemical vapor deposition and electron-beam lithography, features a precise slant angle of approximately 15°, which is crucial for controlling the optical properties of the device. The optical characterization of the device reveals a clear minimum in the angle-resolved transmission spectra, indicative of the isolated zero-valued singularity necessary for STOV generation.
The experimental setup employs a time-resolved scanning interferometry technique, utilizing an ultrafast femtosecond pulse to probe the device. By manipulating the delay time of the reference pulse, the researchers capture the spatiotemporal phase distribution of the transmitted pulse, which exhibits a donut-shaped wave envelope with a spiral phase singularity of topological charge \( l = 1 \). The study reports an average STOV generation efficiency of approximately 42%, with potential for improvement through adjustments to the incident pulse spectrum or grating design. The findings suggest that the proposed method simplifies STOV generation and opens avenues for advanced applications in ultrafast pulse shaping and spatiotemporal light manipulation.
Discussion
In this section, the authors discuss the theoretical framework and experimental design for generating spatiotemporal optical vortices (STOVs) using a slanted nanograting. The optical device, composed of a one-dimensional slanted grating made from silicon on a silica substrate, supports transverse electric (TE) modes that exhibit bound states in the continuum (BIC) at specific symmetry conditions. The introduction of a slant angle $\theta$ breaks the C2 symmetry, transforming the BIC into a mode with a finite quality factor, which facilitates energy exchange with external waves. The interaction of an ultrafast light pulse with the nanograting is analyzed through temporal coupled-mode theory (TCMT), revealing that the pulse can be decomposed into components that either transmit directly or excite resonances, ultimately leading to the generation of a STOV characterized by a spiral phase in the time-space domain.
The design of the slanted nanograting is optimized to ensure the robustness of the singularity conditions necessary for STOV generation. The authors incorporate non-radiative loss factors into their TCMT model, confirming that an isolated singularity can be achieved at the Brillouin zone center under specific conditions. Numerical simulations demonstrate that the singularity’s position shifts with varying slant angles, with a moderate angle of $\theta = 15^\circ$ chosen for experimental validation. The successful simulation of a compressed Gaussian pulse passing through the device reveals a donut-shaped intensity distribution in the spatial-temporal domain, indicative of a STOV with a topological charge of $l = +1$. The fabrication process for the slanted nanograting is detailed, involving advanced techniques such as electron-beam lithography and reactive ion etching, ensuring precise control over the grating parameters. Finally, the optical characterization methods employed, including Mach-Zehnder scanning interferometry, allow for the extraction of both intensity and phase information from the generated STOV, facilitating a comprehensive analysis of its properties.