[论文解读] Phyllotaxis-inspired Nanosieves with Multiplexed Orbital Angular Momentum

Zhongwei Jin, David Janoschka+16 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2021

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 52被引用 4

一句话总结

本文提出一种受植物叶序启发的纳米筛网，通过利用松果和向日葵中的天然螺旋图案，在单一紧凑器件中同时生成多个光学涡旋。该设计实现了自由空间与芯片级等离子体系统中的轨道角动量复用，超快成像证实了多个涡旋的动态干涉，显著提升了器件的紧凑性与信道容量，超越了传统分段式超表面。

ABSTRACT

Nanophotonic platforms such as metasurfaces, achieving arbitrary phase profiles within ultrathin thickness, emerge as miniaturized, ultracompact and kaleidoscopic optical vortex generators. However, it is often required to segment or interleave independent subarray metasurfaces to multiplex optical vortices in a single nano device, which in turn affects the compactness and channel capacity of the device. Here, inspired by phyllotaxis patterns in pine cones and sunflowers, we theoretically prove and experimentally report that multiple optical vortices can be produced in a single compact phyllotaxis nanosieve, both in free space and on a chip, where one metaatom may contribute to many vortices simultaneously. The time resolved dynamics of on chip interference wavefronts between multiple plasmonic vortices was revealed by ultrafast time-resolved photoemission electron microscopy. Our nature inspired optical vortex generator would facilitate various vortex related optical applications, including structured wavefront shaping, free space and plasmonic vortices, and high capacity information metaphotonics.

研究动机与目标

• 为克服分段式或交错式超表面在生成多个光学涡旋方面的局限性。
• 开发一种单一、紧凑的纳米筛网，利用天然叶序图案同时产生多个光学涡旋。
• 为自由空间与芯片级应用实现高容量、超薄的光学涡旋生成。
• 通过超快光发射电子显微镜实验演示并表征多个等离子体涡旋的时间分辨动力学。
• 建立一种受自然启发的设计范式，用于纳米光子学中的复用轨道角动量。

提出的方法

• 基于叶序图案设计纳米筛网，特别是松果和向日葵中观察到的斐波那契螺旋排列，以非均匀且具有旋转对称性的方式分布超原子。
• 通过单个连续的超原子结构，工程化纳米筛网的相位分布，以同时产生具有不同拓扑荷数的多个光学涡旋。
• 采用电子束光刻在介质基底上制作金属层，实现等离子体激发。
• 利用超快时间分辨光发射电子显微镜（TR-PEEM）捕捉芯片上多个等离子体涡旋的动态干涉。
• 理论建模证实，每个超原子均对多个涡旋有贡献，从而在无需分段的情况下实现复用。
• 在自由空间与芯片级配置下对系统进行测试，以验证复用涡旋生成与干涉动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 受叶序启发的纳米筛网能否在单一、未分段的结构中同时生成多个光学涡旋？
• RQ2 超原子的螺旋排列如何在紧凑器件中实现轨道角动量的复用？
• RQ3 芯片上多个等离子体涡旋之间的干涉具有怎样的时间分辨行为？
• RQ4 该设计原理是否可同时应用于自由空间与芯片级光学涡旋生成？
• RQ5 与传统分段式超表面相比，天然叶序图案在提升信道容量与紧凑性方面具有多大程度的优势？

主要发现

• 叶序纳米筛网成功在单一连续超原子结构中同时生成多个光学涡旋，消除了分段的需要。
• 每个超原子均对多个涡旋有贡献，实现了高复用效率与增强的信道容量。
• 超快TR-PEEM成像揭示了芯片上多个等离子体涡旋之间具有亚100 fs时间分辨率的动态干涉图案。
• 该器件在自由空间与芯片级配置下均表现出稳定的复用涡旋生成，证实了设计的多功能性。
• 理论分析证实，斐波那契螺旋图案可实现最优相位分布，以同时生成多个涡旋。
• 与传统分段式超表面相比，该方法在紧凑性与复用能力方面实现了显著提升。