ITMO
en/ en

ISSN: 1023-5086

en/

ISSN: 1023-5086

Научно-технический

Оптический журнал

Полнотекстовый перевод журнала на английский язык издаётся Optica Publishing Group под названием “Journal of Optical Technology“

Подача статьи Подать статью
Больше информации Назад

DOI: 10.17586/1023-5086-2024-91-03-32-43

УДК: 535.42, 53-155

Формирование геликоидального волнового фронта излучения в среднем инфракрасном диапазоне

Бударин А.С., Скворцов Л.А., Кузнецов Е.В., Силантьев И.В., Мяконьких А.В., Павлов А.Ю., Галиев Р.Р., Давлятшина А.Р., Аврамчук А.В., Хабибуллин Р.А.
Ссылка для цитирования:
Бударин А.С., Скворцов Л.А., Кузнецов Е.В., Силантьев И.В., Мяконьких А.В., Павлов А.Ю., Галиев Р.Р., Давлятшина А.Р., Аврамчук А.В., Хабибуллин Р.А. Формирование геликоидального волнового фронта излучения в среднем инфракрасном диапазоне // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 3. С. 32–43. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-03-32-43

 

Budarin A.S., Skvortsov L.A., Kuznetsov E.V., Silantyev I.V., Miakonkikh A.V., Pavlov A.Yu., Galiev R.R., Davlyatshina A.R., Avramchuk A.V., Khabibullin R.A. Formation and practical implementation of a helical wavefront of radiation in the mid-infrared range [in Russian] // Optickhesii Zhurnal. 2024. V. 91. № 3. P. 32–43. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-03-32-43

Ссылка на англоязычную версию:
-
Аннотация:

Предмет исследования. Взаимодействие света среднего инфракрасного диапазона с метаповерхностью на основе кремниевых рассеивающих элементов на подложке из сапфира и последующее его распространение в дальнем поле. Цель работы. Разработка дизайна метаповерхности, ее изготовление и формирование с ее помощью вихревого пучка с геликоидальным волновым фронтом в средневолновом инфракрасном диапазоне с измерением профиля интенсивности преобразованного излучения. Метод. Для расчета характеристик рассеяния излучения на элементе метаповерхности применен алгоритм Finite Difference Time Domain. Для анализа пространственного спектра излучения, полученного в результате прохождения плоской волны через пластину с выбранным дизайном, применен алгоритм динамического модового разложения. Для изготовления метаповерхности использовались методы плазменного химического осаждения из паровой фазы, электронно-лучевой литографии, термического испарения, атомно-слоевого осаждения, реактивного ионного травления в индуктивно-связанной плазме, анизотропного криотравления. Основные результаты. Разработан дизайн метаповерхности для формирования лазерного пучка с геликоидальным волновым фронтом в средневолновом инфракрасном диапазоне. С помощью численного моделирования определены параметры кремниевых рассеивающих элементов на сапфировой подложке. Исследованы эффективность и характеристики пространственного спектра сконструированной метаповерхности. Установлено, что энергетическая доля вторичных гармоник уменьшается с расстоянием вдоль распространения пучка. В результате проделанной работы в среднем инфракрасном диапазоне спектра экспериментально получен вихревой пучок, имеющий кольцевое распределение интенсивности в поперечном сечении. Практическая значимость. Созданная в процессе работы метаповерхность, включая процесс ее конструирования и технологию изготовления, может представлять потенциальный интерес для использования в атмосферных оптических линиях связи на базе квантово-каскадных лазеров среднего инфракрасного диапазона спектра с мультиплексированием ортогонально-пространственных мод.

Ключевые слова:

геликоидальный волновой фронт, метаповерхность, фазовые пластины, пространственный спектр, средний инфракрасный диапазон спектра, пространственные фильтры, квантово-каскадные лазеры, атмосферные оптические линии связи

Коды OCIS: 140.0140, 160.3918

Список источников:
  1. Bliokh K.Y., Karimi E., Padgett M.J., et al. Roadmap on structured waves // J. Opt. 2023. V. 25. № 10. Р. 10300 https:// doi. org/10.1088/2040-8986/acea92
  2. Rubinsztein-Dunlop H., Forbes A., Berry M.V., et al. Roadmap on structured light // J. Opt. 2016. V. 19. № 1. Р. 013001. https://doi.org/10.1088/2040-8978/19/1/013001
  3. Forbes A., de Oliveira M., & Dennis M.R. Structured light // Nature Photonics. 2021. V. 15. № 4. P. 253–262. https://doi.org/10.1038/s41566-021-00780-4
  4. Petrov N.V., Sokolenko B., Kulya M.S., et al. Design of broadband terahertz vector and vortex beams: I. Review of materials and components // Light Adv. Manuf. 2022. V. l. № P. 1. https://doi.org/10.37188/lam.2022.043
  5. Soifer V.A., Korotkova O., Khonina S.N., et al. Vortex beams in turbulent media: Review // Comput. Opt. 2016. V. 40. № P. 605–624. https://doi.org/10.18287/2412-6179-2016-40-5-605-624
  6. Shen Y., Wang X., Xie Z., et al. Optical vortices 30 years on: OAM manipulation from topological charge to multiple singularities // Light: Sci. Appl. 2019. V. 8. № 1. P. 90. https://doi.org/10.1038/s41377-019-0194-2
  7. Zhu F., Huang S., Shao W., et al. Free-space optical communication link using perfect vortex beams carrying orbital angular momentum (OAM) // Opt. Commun. 201 V. 396. P. 50. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2017.03.023
  8. Shao W., Huang S., Liu X., et al. Free-space optical communication with perfect optical vortex beams multiplexing // Opt. Commun. 201 V. 427. P. 545. http://dx.doi.org/10.1016/j.optcom.2018.06.079
  9. Padgett M. and Bowman R. Tweezers with a twist // Nat. Photonics. 2011. V. l. № 5. P. 343. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2018.06.079
  10. Yang Y., Ren Y., Chen M., et al. Optical trapping with structured light: A review // Adv. Photonics. 2021. V. 3. № 3. P. 03400. https://doi/1117/1.AP.3.3.034001
  11. Otte E., Denz C. Optical trapping gets structure: Structured light for advanced optical manipulation // Appl. Phys. Rev. 2020. V. 7. № 4. P. 041308. https://doi.org/10.1063/5.0013276
  12. Qiu X., Li F., Zhang W., et al. Spiral phase contrast imaging in nonlinear optics: Seeing phase objects using invisible illumination // Optica. 2018. V. 5. № 2. P. 208. https://doi.org/10.1364/OPTICA.5.000208
  13. Tamburini F., Anzolin G., Umbriaco G., et al. Overcoming the Rayleigh criterion limit with optical vortices // Phys. Rev. Lett. 2006. V. 97. № 16. P. 163903. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.97.163903
  14. Nicolas A., Veissier L., Giner L., et al. A quantum memory for orbital angular momentum photonic qubits // Nature Photonics. 20 V. 8. № 3. P. 234. https://doi.org/10.1038/nphoton.2013.355
  15. Vallone G., D’Ambrosio V., Sponselli A., et al. Free-space quantum key distribution by rotation-invariant twisted photons // Phys. Rev. Lett. 2014. V. 113. № 6. P. 060503. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.060503
  16. Aleksanyan A., Kravets N., Brasselet E. Multiple-star system adaptive vortex coronagraphy using a liquid crystal light valve // Phys. Rev. Lett. 2017. V. 118. № 20. P. 203902. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.203902
  17. Berkhout G., Beijersbergen M. Method for probing the orbital angular momentum of optical vortices in electromagnetic waves from astronomical objects // Phys. Rev. Lett. 2008. V. 101. № 10. P. 100801. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.101.100801
  18. Lavery M., Speirits F., Barnett S.M., et al. Detection of a spinning object using light’s orbital angular momentum // Science. 2013. V. 34. № 6145. P. 537. https://doi.org/10.1126/science.1239936
  19. Kim I., Martins R., Jang J., et al. Nanophotonics for light detection and ranging technology // Nature Nanotechnol. 2021. V. 16. № 5. P. 508. https://doi.org/10.1038/s41565-021-00895-3
  20. Gianani I., Suprano A., Giordani T., et al. Transmission of vector vortex beams in dispersive media // Advanced Photonics. 20 V. 2. № 3. P. 036003. https://doi.org/10.1117/1.AP.2.3.036003
  21. Biton N., Kupferman J., Arnon S. OAM light propagation through tissue // Sci. Rep. 20 V. 11. № 1. P. 2407. https://doi.org/10.1038/s41598-021-82033-6
  22. Wang J. Advances in communications using optical vortices // Photonics Res. 2016. V. 4. № 5. P. B14. https://doi.org/10.1364/PRJ.4.000B14
  23. Zhu Z., Janasik M., Fyffe A., et al. Compensation-free high-dimensional free-space optical communication using turbulence-resilient vector beams // Nature Commun. 2021. V. 12. № 1. Р. 1666. https://doi.org/10.1038/s41467-021-21793-1
  24. Wang J., Liu J., Li S., et al. Orbital angular momentum and beyond in free-space optical communications // Nanophotonics. 2021. V. 11. № 4. P. 645. https://doi.org/10.1515/nanoph-2021-0527
  25. He C., Shen Y., Forbes A. Towards higher-dimensional structured light // Light: Sci. Appl. 2022. V. 11. № 1. P. 205. https://doi.org/10.1038/s41377-022-00897-3
  26. Willner A., Ren Y., Xie G., et al. Recent advances in high-capacity free-space optical and radio-frequency communications using orbital angular momentum multiplexing // Philosoph. Trans. of the Royal Soc. A: Mathematical, Physical and Engineering Sci. 2017. V. 375. № 2087. P. 20150439. https://doi.org/10.1098/rsta.2015.0439
  27. Абрамов П.И., Бударин А.С., Кузнецов Е.В. и др. Квантово-каскадные лазеры в атмосферных оптических линиях связи: проблемы и перспективы // ЖПС. 2020. Т. 87. № 4. С. 515. https://doi.org/10.17586/1023-5086-2020-87-04-515-539

Abramov P., Budarin A., Kuznetsov E., et al. Quantum-cascade lasers in atmospheric optical communication lines: Challenges and prospects // J. Appl. Spectrosc. 2020. V. 87. № 4. P. 579. https://doi.org/10.1007/s10812-020-01041-y

  1. Hakl M., Lin Q., Lepillet S., et al. Ultrafast quantum-well photodetectors operating at 10 µm with a flat frequency response up to 70 GHz at room temperature // ACS Photonics. 2021. V. 8. № 2. P. 464. https://doi.org/10.1021/acsphotonics.0c01299
  2. Quinchard G., Mismer C., Hakl M., et al. High speed, antenna-enhanced 10.3 µm quantum cascade detector // Appl. Phys. Lett. 2022. V. 120. № 9. P. 091108. https://doi.org/10.1063/5.0078861
  3. Ferreira R. and Bastard G. Evaluation of some scattering times for electrons in unbiased and biased single- and multiplequantum-well structures // Phys. Rev. B. 1989. V. 40. P. 1074. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.40.1074
  4. Meng B. and Wang Q.J. Theoretical investigation of injection-locked high modulation bandwidth quantum cascade lasers // Opt. Exp. 2012. V. 20. № 2. P. 1450. https://doi.org/10.1364/OE.20.001450
  5. Calvar A., Amanti M.I., Renaudat St-Jean, et al. High frequency modulation of mid-infrared quantum cascade lasers embedded into microstrip line // Appl. Phys. Lett. 2013. V. 102. № 18. P. 181114. https://doi.org/10.1063/1.4804370
  6. Pang X., Dely H., Schatz R., et al. 11 Gb/s LWIR FSO transmission at 9.6 µm using a directly-modulated quantum cascade laser and an uncooled quantum cascade detector // Opt. Fiber Commun. Conf. and Exhibition (OFC), IEEE. 2022. P. 1. https://doi.org/10.1364/OFC.2022.Th4B.5
  7. Yao Y., Shankar R., Kats M.A., et al. Electrically tunable metasurface perfect absorbers for ultrathin mid-infrared optical modulators // Nano Lett. 2014. V. 14. № 11. P. 6526–6532. https://doi.org/10.1021/nl503104n
  8. Zeng B., Huang Z., Singh A., et al. Hybrid graphene metasurfaces for high-speed mid-infrared light modulation and single-pixel imaging // Light: Sci. Appl. 2018. V. 7. № 1. Р. 51. https://doi.org/10.1038/s41377-018-0055-4
  9. Liang G., Yu X., Hu X., et al. Mid-infrared photonics and optoelectronics in 2D materials // Mater. Today. 2021. V. 51. P. 294. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.09.021
  10. Montesinos-Ballester M., Deniel L., Koompai N., et al. Mid-infrared integrated electrooptic modulator operating up to 225 MHz between 6.4 and 10.7 m wavelength // ACS Photonics. 2022. V. 9. № 1. P. 249. https://doi.org/10.1021/acsphotonics.1c01449
  11. Pirotta S., Tran, N.L., Jollivet A., et al. Fast amplitude modulation up to 1.5 GHz of mid-IR free-space beams at room-temperature // Nat. Commun. 2021. V. 12. P. 799. https://doi.org/10.1038/s41467-020-20710-2
  12. Dely H., Bonazzi T., Spitz O., et al. 10 Gbit s–1 free space data transmission at 9 µm wavelength with unipolar quantum optoelectronics // Laser Photonics Rev. 2022. V. 16. № 2. P. 2100414. https://doi.org/10.1002/lpor.202100414
  13. Capasso F., Sirtori C., and Cho A.Y. Coupled quantum well semiconductors with giant electric field tunable nonlinear optical properties in the infrared // IEEE J. Quantum Electron. 1994. V. 30. № 5. Р. 1313. https://doi.org/10.1109/3.303697
  14. Didier P., Dely H., Bonazzi T., et al. High-capacity free-space optical link in the midinfrared thermal atmospheric windows using unipolar quantum devices // Advanced Photonics. 2022. V. 4(5). Р. 056004. https://doi.org/10.11171.AP.4.5.056004
  15. Wang J., Yang J.Y., Fazal I., et al. Terabit free-space data transmission employing orbital angular momentum multiplexing // Nature Photonics. 2012. V. 6. № 7. P. 488. https://doi.org/10.1038/nphoton.2012.138
  16. Yu N., Capasso F. Flat optics with designer metasurfaces // Nature Materials. 2014. V. 13. P. 139. https://doi.org/10.1038/nmat3839
  17. Ahmed H., Kim H., Zhang Y., et al. Optical metasurfaces for generating and manipulating optical vortex beams // Nanophotonics. 2022. V. 11. № 5. Р. 941. https://doi.org/10.1515/nanoph-2021-0746
  18. Achouri K., Khan B.A., Gupta S., et al. Synthesis of electromagnetic metasurfaces: Principles and illustrations // arXiv preprint. 2015. arXiv: 1510.05997. https://doi.org/10.48550/arXiv.1510.05997
  19. Zhu L., Wang J. A review of multiple optical vortices generation: Methods and applications // Frontiers of Optoelectronics. 2019. V. 12. P. 52–68. https://doi.org/10.1007/s12200-019-0910-9
  20. Тонкаев П., Кившарь Ю.С. Высокодобротные диэлектрические Ми-резонансные наноструктуры (мини-обзор) // Письма в ЖЭТФ. 2020. Т. 112. № 10. С. 658. https://doi.org/10.31857/S123456782022005X

Tonkaev P., & Kivshar Y. High-Q dielectric mie-resonant nanostructures (brief review) // JETP Letters. 2020. V. 112. № 10. P. 615. https://doi.org/10.1134/S0021364020220038

  1. Yee K.S., Chen J.S. The finite-difference time-domain (FDTD) and the finite-volume time-domain (FVTD) methods in solving Maxwell's equations // IEEE Trans. Antennas and Propagation. 1997. V. 45. № 3. Р. 354. https://doi: 10.1109/8.558651
  2. Hu Y., Zhou Q., Fang X., et al. FDTD simulations of modulated metasurfaces with arbitrarily shaped meta-atoms by surface impedance boundary condition // Appl. Computational Electromagnetics Soc. J. (ACES). 2021. P. 1509. https://doi.org/10.13052/2021.ACES.J.361201
  3. Sun S., He Q., Hao J., et al. Electromagnetic metasurfaces: Physics and applications // Advances in Optics and Photonics. 2019. V. 11. № 2. Р. 380. https://doi.org/10.1364/AOP.11.000380
  4. Yee K.S., Chen J.S. The finite-difference time-domain (FDTD) and the finite-volume time-domain (FVTD) methods in solving Maxwell's equations // IEEE Trans. Antennas and Propagation. 1997. V. 45. № 3. Р. 354. https://doi: 10.1109/8.558651
  5. Li X., Fan Z. Controlling dispersion characteristic of focused vortex beam generation // Photonics. 2022. V. 9. № 3. P. 179. https://doi.org/10.3390/photonics9030179
  6. Jahani S., Jacob Z. All-dielectric metamaterials // Nature Nanotechnol. 2016. V. 11. № 1. P. 23. https://doi.org/10.1038/nnano.2015.304
  7. Arbabi A., Briggs R.M., Horie Y., et al. Efficient dielectric metasurface collimating lenses for mid-infrared quantum cascade lasers // Opt. Exp. 2015. V. 23. № 26. P. 33310. https://doi.org/10.1364/OE.23.033310
  8. Vahabzadeh Y., Chamanara N., Achouri K., et al. Computational analysis of metasurfaces // IEEE J. Multiscale and Multiphysics Computational Techniques. 2018. V. 3. P. 37. https://doi.org/10.1109/JMMCT.2018.2829871
  9. Zhang Y., Chen M.L.N., Jiang L.J. Analysis of electromagnetic vortex beams using modified dynamic mode decomposition in spatial angular domain // Opt. Exp. 2019. V. 27. № 20. P. 27702. https://doi.org/10.1364/OE.27.027702