Forskere rapporterer første nanostrukturerede materiale til bred blanding af lysbølger

En flerfarvet laserpeger, du kan bruge til at ændre laserens farve med et klik på en knap - svarende til en flerfarvet kuglepen - er et skridt tættere på virkeligheden takket være et nyt lille syntetisk materiale fremstillet på Sandia National Laboratories.

En prangende laserpeger kan være sjov at forestille sig, men at ændre farven på en laser har mange andre anvendelser fra at opdage skjulte arkæologiske steder i tætte skove og opdage tegn på udenjordisk liv i luften til potentielt at fremskynde og øge kapaciteten af ​​langdistancekommunikation via fiberoptiske netværk.

Forskning om det nye lysblandende metamateriale blev offentliggjort i Naturkommunikation tidligere i dag. Arbejdet blev ledet af Sandia Senior Scientist Igal Brener sammen med samarbejdspartnere ved Friedrich Schiller University Jena. Papiret rapporterer, hvordan et metamateriale, der består af en række nanocylindre, blandede to laserpulser med nær infrarødt lys for at producere 11 lysbølger, der varierer i farve fra det nær infrarøde, gennem regnbuens farver, til ultraviolet.

Et metamateriale er et materiale, der består af små, gentagende strukturer, der interagerer med elektromagnetiske bølger på måder, konventionelle materialer ikke kan. Strukturerne er meget mindre end lysets bølgelængde, de er designet til at manipulere. De ligner noget af de naturlige strukturer, der giver blå morpho -sommerfuglvinger deres spektakulære iridescens. Vingerne har skæl med bittesmå gentagne strukturer, som reflekterer lys for at producere den blå farve.

Metamateriale blander lys for at producere 11 nye bølgelængder

Til denne optiske mixer, rækken af ​​nanocylindre er lavet af galliumarsenid, en halvleder, der bruges i mange slags elektronik. Gallium arsenid bøjer, eller bryder, lys kraftigt, som er afgørende for denne form for metamateriale, sagde Brener. Hver nanocylinder er omkring 500 nanometer høj - eller 100 gange mindre end et menneskehårs bredde - med en diameter på omkring 400 nanometer. De er lagt ud i et kvadratisk mønster med en afstand på ca. 840 nanometer fra hinanden.

Nuværende måder at blande lys på, som dem, der bruges til grønne laserpointere, brug specialfremstillede krystaller til perfekt at justere lysbølgerne for at tillade blanding, sagde Brener. Dette kaldes fasematching. På grund af fysiske regler, hver krystal kan kun effektivt matche faserne i en farve af indgående lys for at producere en anden lysfarve. Sandias metamateriale fungerer på en helt anden måde.

I stedet, holdet valgte to nær infrarøde lasere med bølgelængder afstemt til metamaterialets resonansfrekvenser, eller bølgelængderne, der hopper bedst inde i nanocylindrene, sagde Polina Vabishchevich, en postdoc -ansat Sandia og første forfatter på papiret. Lyset fra disse to lasere - kald dem frekvenser A og B - blandes for at producere 11 farver fra forskellige blandingsprodukter, herunder A+A, A+B, B+B, A+A+B, og A+B+B, blandt andre komplekse blandingsprodukter.

"Med denne lille enhed og to laserpulser kunne vi generere 11 nye farver på samme tid, som er så sejt, "sagde Vabishchevich." Vi behøver ikke ændre vinkler eller matche faser. "

Optisk metamixer har potentiale til udbredte forskningsapplikationer

Metamaterialet blev fremstillet ved hjælp af processer lånt fra fremstilling af halvlederanordninger. Denne fabrikation blev udført på flere Sandia -faciliteter, herunder Sandias Microsystems Engineering, Videnskaber, og applikationskompleks og Center for integrerede nanoteknologier, en Department of Energy Office of Science brugerfacilitet, der drives i fællesskab med Los Alamos National Laboratory.

"Hvis vi ikke havde adgang til den instrumentering, vi har på Sandia, denne forskning ville have været umulig, "sagde Brener." Uden CINT's specialiserede femtosekundlasersystem, det ville have været meget udfordrende at udføre disse målinger. "Et femtosekund er en milliontedel af en milliarddel af et sekund, og femtosekundlasere producerer kraftigt lys.

Selvom konverteringseffektiviteten for den optiske metamixer er meget lav - for eksempel er det resulterende rød-orange lys meget svagt sammenlignet med det indkommende lys - mener Brener, at effektiviteten kan forbedres betydeligt med yderligere arbejde, måske ved at stable flere lag metamateriale.

Mange forskellige former for kemisk og biologisk forskning, fra at bruge specialiserede mikroskoper til at studere, hvordan sygdomme unddrager sig immunsystemet til at studere forbrændingskemien for at forbedre køretøjets effektivitet, kræver lys ved bestemte bølgelængder. Denne optiske metamixer kan konvertere lys fra lasere til en ny bølgelængde, hvor en laser muligvis ikke er tilgængelig eller tillade forskere at skifte fra en bølgelængde til en anden uden at skulle købe en anden laser, sagde Brener.

Omskiftelig, afstembare lasere kan også være nyttige i biologiske, kemisk og atmosfærisk forskning; fjernmåling; fiberoptik-baseret kommunikation; selv kvanteoptik.