La métasurface reconfigurable oriente la lumière incohérente en moins d'une picoseconde

S'appuyant sur les dernières avancées en matière de métasurfaces et de nanophotonique, des chercheurs américains ont conçu une nouvelle source de lumière capable de diriger des faisceaux de lumière incohérente sur des échelles de temps ultracourtes. Développé par Igal Brener et ses collègues des Sandia National Laboratories au Nouveau-Mexique, la source présente une métasurface reconfigurable qui est intégrée à des points quantiques. Avec un développement ultérieur, le concept pourrait être utilisé pour améliorer les écrans de réalité virtuelle, les capteurs pour les véhicules autonomes et les systèmes d'éclairage.

Une métasurface optique comprend un motif de composants minuscules, dont chacun interagit avec la lumière. Les propriétés optiques d'une métasurface découlent de l'effet collectif de ces composants et les métasurfaces peuvent être utilisées pour créer des composants optiques utiles tels que des lentilles plates. Les métasurfaces reconfigurables ont des propriétés optiques qui peuvent être modifiées de manière contrôlée, ouvrant encore plus d'applications possibles.

Récemment, des chercheurs ont créé des métasurfaces reconfigurables capables d'orienter la lumière laser dans des directions spécifiques. Cela a été possible parce que la lumière laser est cohérente - toute la lumière est en phase et à la même longueur d'onde.

Cependant, cette orientation du faisceau n'a pas été obtenue pour la lumière incohérente émise par les sources quotidiennes telles que les LED et les ampoules à incandescence. "Actuellement, il n'existe aucun 'dispositif' capable d'émettre de la lumière comme une LED et d'orienter dynamiquement l'émission dans une direction particulière en même temps", explique Brener.

Points quantiques

Dans leur étude, l'équipe de Sandia a comblé cette lacune en concevant une nouvelle métasurface. Leur conception comporte une métasurface intégrée à des points quantiques positionnée sur un miroir de Bragg réfractif. Il s'agit d'un miroir composé de plusieurs couches disposées périodiquement avec des indices de réfraction variables. Un miroir de Bragg réfléchit la lumière dans une bande étroite de longueurs d'onde, tout en laissant passer une autre lumière.

Chaque point quantique émet une lumière incohérente et dans leurs expériences, l'équipe de Brener a observé que la métasurface faisait subir à la lumière incohérente des points quantiques des changements de phase. Ces changements empêchent la lumière de se propager sur une large gamme d'angles - et provoquent plutôt la propagation d'une grande partie de la lumière dans une direction.

La direction de propagation de la lumière est contrôlée en tirant deux impulsions laser différentes sur la métasurface. Une impulsion modifie temporairement l'indice de réfraction de la métasurface, tandis que l'autre impulsion fait émettre de la lumière par les points quantiques. C'est cette modification qui dirige la lumière émise.

"Nous avons pu diriger l'émission incohérente des points quantiques intégrés dans la métasurface sur une plage de 70 degrés", explique Brener. De plus, la lumière peut être dirigée sur des échelles de temps inférieures à la picoseconde.

Brener souligne que la conception n'est pour l'instant qu'une preuve de concept, avec beaucoup de place pour des améliorations futures. "Dans un appareil final, ce schéma devrait être reconfiguré électriquement, de sorte qu'au final, vous ayez une combinaison d'une LED et de plusieurs autres contacts pour reprogrammer l'angle d'émission", explique-t-il.

Plus de développement nécessaire

L'équipe reconnaît que la commercialisation de leur technologie est probablement encore dans plusieurs années. Pourtant, sur la base des résultats qu'ils ont obtenus jusqu'à présent, ils espèrent que d'autres chercheurs commenceront à réfléchir au large éventail de technologies qui pourraient bénéficier de la manipulation contrôlée de la lumière incohérente.

La métasurface micro-ondes est reconfigurée à l'aide de moteurs pas à pas

"Peut-être que ce type d'appareil pourrait remplacer les lasers orientables", déclare Brener, ajoutant qu'il pourrait être utilisé pour réduire la consommation d'énergie dans les systèmes d'éclairage.

D'autres applications possibles incluent de petits écrans qui peuvent projeter des images holographiques directement sur l'œil à l'aide de LED à faible puissance. Cela serait particulièrement utile pour les appareils de réalité virtuelle et augmentée, ce qui les rend beaucoup plus simples et moins chers que les systèmes à base de laser. Ailleurs, la métasurface pourrait être utile en télédétection. Cela inclut les systèmes LIDAR utilisés par les véhicules autonomes pour visualiser leur environnement.

La recherche est décrite dans Nature Photonics.

• Contenu propulsé par le référencement et distribution de relations publiques. Soyez amplifié aujourd'hui.
• PlatoAiStream. Intelligence des données Web3. Connaissance Amplifiée. Accéder ici.
• Frapper l'avenir avec Adryenn Ashley. Accéder ici.
• La source: https://physicsworld.com/a/reconfigurable-metasurface-steers-incoherent-light-in-less-than-a-picosecond/