Rekonfigurerbar metasurface styrer usammenhængende lys på mindre end et picosekund

Rekonfigurerbar metasurface styrer usammenhængende lys på mindre end et picosekund

Tidsstempel: 26. april 2023 kl. 12

Styre usammenhængende lys
Styrekomité: Prasad Iyer (til højre) og Igal Brener med noget af det optiske udstyr, de brugte til strålestyringsforsøg på Sandia National Laboratory.
(Med høflighed: Craig Fritz/Sandia National Laboratories)

Med udgangspunkt i de seneste fremskridt inden for metasurfaces og nanofotonik har forskere i USA designet en ny lyskilde, der kan styre stråler af usammenhængende lys over ultrakorte tidsskalaer. Udviklet af Igal Brener og kolleger ved Sandia National Laboratories i New Mexico, kilden har en rekonfigurerbar metasurface, der er indlejret med kvanteprikker. Med videreudvikling kan konceptet bruges til at forbedre virtual reality-skærme, sensorer til autonome køretøjer og belysningssystemer.

En optisk metaflade omfatter et mønster af bittesmå komponenter, som hver især interagerer med lys. De optiske egenskaber af en metasurface opstår fra den kollektive effekt af disse komponenter, og metasurfaces kan bruges til at skabe nyttige optiske komponenter såsom flade linser. Rekonfigurerbare metaoverflader har optiske egenskaber, der kan ændres på kontrollerede måder, hvilket åbner op for endnu flere mulige applikationer.

For nylig har forskere skabt rekonfigurerbare metaoverflader, der kan styre laserlys i bestemte retninger. Dette var muligt, fordi laserlys er kohærent - alt lys er i fase og på samme bølgelængde.

Denne strålestyring er dog ikke opnået for det usammenhængende lys, der udsendes af hverdagskilder som LED'er og glødepærer. "I øjeblikket er der ingen 'enhed', der kan udsende lys som en LED og dynamisk styre emissionen i en bestemt retning på samme tid," forklarer Brener.

Kvanteprikker

I deres undersøgelse adresserede Sandia-teamet denne mangel ved at designe en ny metasurface. Deres design har en kvantepunktindlejret metasurface placeret på et refraktivt Bragg-spejl. Dette er et spejl, der består af flere, periodisk arrangerede lag med varierende brydningsindeks. Et Bragg-spejl reflekterer lys i et smalt bånd af bølgelængder, mens det tillader andet lys at passere igennem.

Hver kvanteprik udsender usammenhængende lys, og i deres eksperimenter observerede Breners hold, at metasoverfladen fik det usammenhængende lys fra kvanteprikkerne til at gennemgå faseændringer. Disse ændringer forhindrer lyset i at sprede sig over en lang række vinkler - og får i stedet meget af lyset til at forplante sig i én retning.

Lysets udbredelsesretning styres ved at affyre to forskellige laserimpulser mod metasfladen. Den ene puls ændrer midlertidigt brydningsindekset for metasfladen, mens den anden puls får kvanteprikkerne til at udsende lys. Det er denne modifikation, der styrer det udsendte lys.

"Vi var i stand til at styre den usammenhængende emission fra kvanteprikker indlejret i metasoverfladen over et 70-graders område," forklarer Brener. Hvad mere er, kan lyset styres over tidsskalaer under picosekunder.

Brener påpeger, at designet for det meste kun er et proof of concept for nu, med meget plads til fremtidige forbedringer. "I en endelig enhed skulle dette mønster omkonfigureres elektrisk, så du i sidste ende har en kombination af en LED og flere andre kontakter til at omprogrammere emissionsvinklen," siger han.

Der er brug for mere udvikling

Holdet erkender, at kommercialiseringen af ​​deres teknologi sandsynligvis stadig er flere år væk. Men baseret på de resultater, de har opnået indtil videre, håber de, at andre forskere vil begynde at tænke på den brede vifte af teknologier, der kan drage fordel af kontrolleret manipulation af usammenhængende lys.

"Måske kunne denne type enhed erstatte styrbare lasere," siger Brener og tilføjer, at den kunne bruges til at reducere energiforbruget i belysningssystemer.

Andre mulige applikationer omfatter små skærme, der kan projicere holografiske billeder direkte på øjet ved hjælp af lysdioder med lav effekt. Dette ville være særligt nyttigt for virtual og augmented reality-enheder - hvilket gør dem langt enklere og billigere end laserbaserede systemer. Andre steder kan metasfladen være nyttig i fjernmåling. Dette inkluderer LIDAR-systemer, der bruges af selvkørende køretøjer til at visualisere deres omgivelser.

Forskningen er beskrevet i Nature Photonics.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden