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Jun 16, 2023

Polarizzazione

Scientific Reports volume 13, numero articolo: 10338 (2023) Cita questo articolo 613 Accessi Dettagli metriche La modellazione dinamica del fascio solo in fase con un modulatore di luce spaziale a cristalli liquidi è un potente

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 10338 (2023) Citare questo articolo

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La modellazione dinamica del fascio solo in fase con un modulatore di luce spaziale a cristalli liquidi è una tecnica potente per personalizzare il profilo di intensità o il fronte d'onda di un fascio. Sebbene la modellazione e il controllo del campo luminoso siano argomenti altamente studiati, finora la modellazione dinamica del fascio non lineare è stata difficilmente esplorata. Una potenziale ragione è che la generazione della seconda armonica è un processo degenerato poiché mescola due campi alla stessa frequenza. Per superare questo problema, proponiamo l'uso dell'adattamento di fase di tipo II come meccanismo di controllo per distinguere tra i due campi. I nostri esperimenti dimostrano che le distribuzioni di intensità arbitraria possono essere modellate nel campo convertito in frequenza con la stessa qualità del beam shaping lineare e con efficienze di conversione simili a quelle senza beam shaping. Consideriamo questo metodo come una pietra miliare verso la modellazione del fascio oltre i limiti fisici dei display a cristalli liquidi, facilitando la modellatura dinamica del fascio solo in fase nella gamma spettrale dell'ultravioletto.

Il primo laser operativo agli inizi degli anni '601 segnò l'alba di molti campi di ricerca dell'ottica moderna, sebbene alcuni dei loro effetti fondamentali fossero già stati dimostrati o proposti in teoria decenni prima. L'olografia e l'ottica non lineare sono emerse indipendentemente l'una dall'altra, ma entrambi i campi hanno beneficiato dell'elevata coerenza e dell'elevata potenza delle nuove sorgenti luminose.

L'olografia si basa sull'interferenza delle onde luminose e incorpora informazioni su fase e ampiezza per andare oltre la fotografia. La modellazione dinamica del fascio solo in fase con un modulatore di luce spaziale a cristalli liquidi (LC-SLM) è un metodo emergente dall'olografia per controllare arbitrariamente la distribuzione dell'intensità del fascio con molte applicazioni nella ricerca2,3,4 e nell'industria5,6,7. Poiché questo metodo modula soltanto il fronte d'onda, non si verificano perdite significative. Come svantaggio, i display a cristalli liquidi sono tecnicamente limitati alle gamme spettrali del visibile, del vicino infrarosso e del medio infrarosso. Questo non è un problema insormontabile, poiché i processi di conversione di frequenza come la generazione della seconda armonica o la generazione della somma della frequenza sono processi coerenti che preservano la fase dell'onda fondamentale incidente. La combinazione di ottica non lineare e olografia consente di modellare il campo luminoso nella fondamentale ottenendo il risultato desiderato nel campo convertito in frequenza. Anche se entrambi i campi di ricerca possono essere combinati, il concetto di olografia non lineare sta emergendo solo attualmente.

Yariv ha dimostrato decenni fa che il mixaggio a quattro onde può essere interpretato come registrazione e ricostruzione olografica e ha proposto di utilizzarlo per la realizzazione dell'olografia in tempo reale8. In questo processo, l'interazione tra i campi può essere interpretata come un campo diffratto dalla struttura sagomata di un altro campo. Nel frattempo seguirono molte ricerche sulla conversione non lineare della luce strutturata per la conservazione delle singolarità9,10 e sul momento angolare orbitale o di spin e sui fasci di vortici11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22, 23,24. In questo caso, i principi fisici della conversione non lineare della luce strutturata sono stati ben esplorati e diversi lavori utilizzano caratteristiche del fascio come la polarizzazione19,25,26, lunghezze d'onda diverse15,17,18 o geometrie non collineari20 come meccanismo di controllo per la conversione non lineare dei vortici ottici. Il recente articolo di revisione pubblicato da Buono e Forbes fornisce una panoramica sull'ottica non lineare a luce strutturata27.

Attualmente, esistono due approcci principali all'olografia non lineare: strutturare direttamente il cristallo non lineare o immaginare il piano di un LC-SLM nel cristallo.

La strutturazione 3D del cristallo non lineare porta ad una modulazione della suscettibilità non lineare che modella il fronte d'onda del campo luminoso emergente. Tali elementi sono chiamati cristalli fotonici non lineari poiché la modulazione della suscettibilità non lineare influenza la generazione e propagazione del fascio28,29,30,31,32,33,34. Esistono dimostrazioni di un ologramma binario in un cristallo non lineare35, un elemento strutturato combinato con luce strutturata36,37 o metasuperfici plasmoniche38,39. Tali cristalli non lineari strutturati in 3D agiscono come ologrammi di volume o array a fasi e in teoria danno più gradi di libertà come un ologramma sottile. Poiché la loro realizzazione è tecnicamente impegnativa, la libertà di progettazione è finora fortemente limitata e inoltre sono possibili solo soluzioni statiche. Tali limitazioni pratiche motivano la considerazione di ologrammi sottili che sono più facili da realizzare.