Une étude publiée dans la revue Advanced Photonics Nexus propose une nouvelle méthode pour générer des faisceaux lumineux torsadés dans l'espace libre en combinant une structure multicouche diélectrique avec une surface métallique structurée. Cette technique pourrait surmonter les difficultés de mise en forme du faisceau des sources lumineuses miniatures et ouvrir de nouvelles voies pour les applications d'intégration photonique.
Le moment angulaire porté par la lumière peut se présenter sous deux formes : liée à la polarisation et liée à l'orbite. Le moment angulaire orbital permet à la lumière de se propager de manière torsadée, comme un tire-bouchon, offrant un potentiel pour le codage d'informations, l'interaction avec la matière et la détection de systèmes. Cependant, la génération de lumière torsadée bien définie à partir de sources lumineuses à l'échelle nanométrique reste un défi technique.
L'équipe de recherche a utilisé des ondes de surface de Bloch comme intermédiaire. Ces ondes électromagnétiques se propagent le long de la surface d'un empilement multicouche de pentoxyde de tantale et de dioxyde de silicium avec de faibles pertes. Une métasurface chirale, constituée de nanobâtonnets d'or arrangés en motif hélicoïdal, a été fabriquée au sommet de l'empilement. La chiralité est introduite par la rotation des nanobâtonnets, permettant de contrôler la diffusion de la lumière.
Le processus se déroule en trois étapes : un faisceau laser annulaire polarisé circulairement est couplé pour exciter les ondes de surface de Bloch ; ces ondes se diffusent radialement en portant une phase structurée ; lorsqu'elles atteignent la métasurface chirale, elles sont diffractées vers le haut dans l'espace libre, formant un faisceau avec un moment angulaire de polarisation et orbital contrôlé. La conception de la métasurface présente une forte sélectivité de polarisation, et les expériences montrent qu'environ 80 % de la lumière émise porte la polarisation circulaire souhaitée.
Emiliano Descrovi, auteur principal, déclare : « Notre objectif était de créer un pont entre le monde des sources lumineuses minuscules et celui de la lumière structurée. En guidant la lumière via les ondes de surface de Bloch, nous pouvons la façonner avec une grande précision tout en évitant les pertes importantes des systèmes métalliques. » L'équipe a validé le concept par des simulations numériques et des expériences, les mesures correspondant aux prédictions et confirmant que l'effet provient bien de l'intermédiaire des ondes de surface.
Cette approche basée sur des matériaux diélectriques évite les limitations d'efficacité des structures plasmoniques et est adaptée à l'intégration avec des sources lumineuses nanométriques, pouvant potentiellement être étendue au niveau du photon unique. Elle contribue à résoudre le défi de longue date de connecter des émetteurs microscopiques à des faisceaux macroscopiques dans des systèmes compacts, et à promouvoir l'application des métasurfaces chirales dans le domaine de la photonique.
Détails de la publication : Auteurs : SPIE ; Titre : « Chiral metasurfaces guide twisted light into free space » ; Publié dans : Advanced Photonics Nexus (2026).
