Ny type metasurface tillader hidtil uset laserkontrol

Evnen til præcist at kontrollere laserlysets forskellige egenskaber er afgørende for meget af den teknologi, vi bruger i dag, fra kommercielle virtual reality (VR) headsets til mikroskopisk billeddannelse til biomedicinsk forskning. Mange af nutidens lasersystemer er afhængige af separate, roterende komponenter for at kontrollere bølgelængden, form og kraft af en laserstråle, gør disse enheder omfangsrige og svære at vedligeholde.

Nu, forskere ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences har udviklet en enkelt metasurface, der effektivt kan tune laserlysets forskellige egenskaber, inklusive bølgelængde, uden behov for yderligere optiske komponenter. Metasfladen kan opdele lys i flere stråler og kontrollere deres form og intensitet på en uafhængig, præcis og strømeffektiv måde.

Forskningen åbner døren for lette og effektive optiske systemer til en række applikationer, fra kvanteregistrering til VR/AR-headset.

"Vores tilgang baner vejen for nye metoder til at konstruere emissionen af ​​optiske kilder og kontrollere flere funktioner, såsom fokusering, hologrammer, polarisering, og stråleformning, parallelt i en enkelt metasflade, sagde Federico Capasso, Robert L. Wallace professor i anvendt fysik og Vinton Hayes seniorforsker i elektroteknik ved SEAS og seniorforfatter af papiret.

Forskningen blev offentliggjort for nylig i Naturkommunikation .

Den afstembare laser har kun to komponenter - en laserdiode og en reflekterende metaoverflade. I modsætning til tidligere metasurfacer, som var afhængig af et netværk af individuelle søjler til at styre lyset, denne overflade bruger såkaldte superceller, grupper af søjler, der arbejder sammen om at kontrollere forskellige aspekter af lys.

Når lyset fra dioden rammer supercellerne på metasfladen, en del af lyset reflekteres tilbage, skabe et laserhulrum mellem dioden og metasfladen. Den anden del af lyset reflekteres i en anden stråle, der er uafhængig af den første.

"Når lys rammer metasoverfladen, forskellige farver afbøjes i forskellige retninger, sagde Christina Spägele, en kandidatstuderende ved SEAS og førsteforfatter af papiret. "Vi formåede at udnytte denne effekt og designe den, så kun den bølgelængde, vi valgte, har den rigtige retning til at komme tilbage i dioden, gør det muligt for laseren kun at fungere ved den specifikke bølgelængde."

For at ændre bølgelængden, forskerne flytter simpelthen metasfladen i forhold til laserdioden.

"Designet er mere kompakt og enklere end eksisterende bølgelængdejusterbare lasere, da det ikke kræver nogen roterende komponent, " sagde Michele Tamagne, tidligere postdoc ved SEAS og medforfatter til papiret.

Forskerne viste også, at laserstrålens form kan styres fuldt ud til at projicere et komplekst hologram - i dette tilfælde komplekset, århundrede gammelt Harvard-skjold. Holdet demonstrerede også evnen til at opdele det indfaldende lys i tre uafhængige stråler, hver med forskellige egenskaber - en konventionel stråle, en optisk hvirvel og en stråle kendt som en Bessel-stråle, som ligner en bullseye og bruges i mange applikationer, herunder optisk tweezing.

"Ud over at styre enhver type laser, denne evne til at generere flere stråler parallelt og rettet i vilkårlige vinkler, hver implementerer en anden funktion, vil muliggøre mange applikationer fra videnskabelig instrumentering til augmented eller virtual reality og holografi, " sagde Capasso.