Metasurface åbner en verden af ​​polarisering

Polarisering, retningen, hvori lyset vibrerer, er usynlig for det menneskelige øje. Endnu, så meget af vores optiske verden er afhængig af kontrol og manipulation af denne skjulte lyskvalitet.

Materialer, der kan manipulere polariseringen af ​​lys - kendt som dobbeltbrydende materialer - bruges i alt fra digitale vækkeure til medicinsk diagnostik, kommunikation og astronomi.

Ligesom lysets polarisering kan vibrere langs en lige linje eller en ellipse, materialer kan også være lineært eller elliptisk dobbeltbrydende. I dag, de fleste dobbeltbrydende materialer er iboende lineære, hvilket betyder, at de kun kan manipulere lysets polarisering på en begrænset måde. Hvis du ønsker at opnå bred polariseringsmanipulation, du skal stable flere dobbeltbrydende materialer oven på hinanden, gør disse enheder omfangsrige og ineffektive.

Nu, forskere fra Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences har designet en metasurface, der kontinuerligt kan tunes fra lineær til elliptisk dobbeltbrydning, åbner hele rummet til polariseringskontrol med kun en enhed. Denne enkelt metaflade kan fungere så mange dobbeltbrydende materialer parallelt, muliggør mere kompakt polariseringsmanipulation, som kunne have vidtrækkende anvendelser inden for polarisationsbilleddannelse, kvanteoptik, og andre områder.

Forskningen er publiceret i Videnskabens fremskridt .

"Det er en ny type dobbeltbrydende materiale, " sagde Zhujun Shi, en tidligere kandidatstuderende ved SEAS og førsteforfatter til papiret. "Vi er i stand til at skræddersy bred materialiseringsadfærd ud over det, der naturligt findes, som har mange praktiske fordele. Det, der plejede at kræve tre separate konventionelle dobbeltbrydende komponenter, tager nu kun en ".

"Evnen til at manipulere en grundlæggende egenskab ved lys som polarisering på helt nye måder med en enhed, der er kompakt og multifunktionel, vil have vigtige applikationer til kvanteoptik og optisk kommunikation, sagde Federico Capasso, Robert L. Wallace professor i anvendt fysik og Vinton Hayes seniorforsker i elektroteknik ved SEAS og seniorforfatter af papiret.

Metasurfaces er arrays af nanopillarer, der er placeret mindre end en bølgelængde fra hinanden, og som kan udføre en række opgaver, herunder at manipulere fasen, amplitude og polarisering af lys. I fortiden, Capasso og hans team har designet disse meget velordnede overflader fra bunden, ved hjælp af simple geometriske former med kun få designparametre.

I denne forskning, imidlertid, holdet henvendte sig til en ny type designteknik kendt som topologisk optimering.

"Topologisk optimering er en omvendt tilgang, " sagde Shi. "Du starter med, hvad du ønsker, at metaoverfladen skal gøre, og så tillader du algoritmen at udforske det enorme parameterrum for at udvikle et mønster, der bedst kan levere den funktion."

Resultatet var overraskende. I stedet for pænt bestilte rektangulære søjler, der stod som legetøjssoldater, denne metaflade er sammensat af indlejrede halvcirkler, der minder om skæve smiley-ansigter - mere som noget et lille barn ville tegne end en computer.

Men disse mærkelige former har åbnet en helt ny verden af ​​dobbeltbrydning. Ikke alene kan de opnå brede polariseringsmanipulationer som at transformere lineær polarisering til enhver ønsket elliptisk polarisering, men polarisationen kan også indstilles ved at ændre vinklen på det indkommende lys.

"Vores tilgang har en bred vifte af potentielle anvendelser på tværs af industrien og videnskabelig forskning, herunder korrektion af polarisationsafvigelse i avancerede optiske systemer, " sagde Capasso.