Un nuevo metamaterial para generar luz helicoidal en el espectro visible

Dibujo20140520 Generating optical orbital angular momentum at visible wavelengths using a plasmonic metasurface - nature light
Hay dos tipos de momento angular asociados a un haz de luz, el de espín asociado a la polarización (±ħ por fotón) y el orbital asociado a la fase del campo óptico (ℓ ħ por fotón, con 2ℓ un número entero). En un medio anisótropo y no homogéneo, estos momentos pueden interaccionar permitiendo el desarrollo de elementos ópticos que convierten uno en otro. Un metamaterial nanoestructurado basado en nanoantenas de oro que lo logra se publica en Ebrahim Karimi et al., “Generating optical orbital angular momentum at visible wavelengths using a plasmonic metasurface,” Light: Science & Applications 3: e167, 9 May 2014.

Dibujo20140520 Structure and optical properties of the fabricated metasurface - nature light

El metamaterial desarrollado tiene las nanoantenas de oro con forma de L distribuidas con simetría cilíndrica sobre un sustrato de ITO (óxido de indio dopado con estaño) y se comporta como un material birrefringente. Sus dimensiones y la distancia que las separa corresponden a un retraso óptico de media-longitud de onda (π) entre las dos polarizaciones lineales de la luz incidente. Gracias al teorema de conservación del momento, el metamaterial induce un cambio en el momento angular de 2ħ. Por tanto, la luz polarizada circularmente que incide por una cara, sale por la otra como luz un momento angular de ℓ=±2. Además, si el haz incidente tiene una distribución gaussiana en intensidad, la luz helicoidal a la salida presenta una distribución hipergeométrica en intensidad.

Dibujo20140520 Intensity distribution and observed interference of the beam generated by the metasurface - nature light

Por supuesto, el nuevo elemento óptico desarrollado no es ideal y presenta pérdidas. La eficiencia de conversión depende de la uniformidad en las dimensiones de los nanoantenas (cuya fabricación no es fácil) y del coeficiente de absorción del metal (en este caso oro). En el metamaterial fabricado se ha alcanzado sólo una eficiencia de ~6 % a una longitud de onda de 780 nm. Ellos es debido a los errores geométricos durante la fabricación: los brazos de las nanoantenas tienen 210±5 nm de largo, 85±5 nm de ancho y 27±3 nm de espesor.

Estos nuevos dispositivos ópticos que producen luz helicoidal tienen aplicaciones en un gran gama de tecnologías fotónicas (espectroscopia, imagen en diagnóstico médico, análisis químico, astronomía, etc.) y de óptica cuántica (sistemas de comunicación cuántica, ordenadores cuánticos, metrología cuántica ultrasensible, etc.).



3 Comentarios

  1. Más que un comentario deseo que esto sea un saludo puesto que nos hemos conocido esta mañana en la charla sobre cosmología organizada por Carlos Criado. Seguiré leyendo tus entradas.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 20 mayo, 2014
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