Herconfigureerbare metasurface stuurt onsamenhangend licht in minder dan een picoseconde

Op basis van de nieuwste ontwikkelingen op het gebied van metasurfaces en nanofotonica hebben onderzoekers in de VS een nieuwe lichtbron ontworpen die bundels onsamenhangend licht over ultrakorte tijdschalen kan sturen. Ontwikkeld door Igal Brener en collega's van Sandia National Laboratories in New Mexico, heeft de bron een herconfigureerbaar metasurface dat is ingebed met kwantumstippen. Bij verdere ontwikkeling zou het concept kunnen worden gebruikt om virtual reality-displays, sensoren voor autonome voertuigen en verlichtingssystemen te verbeteren.

Een optisch metasurface bestaat uit een patroon van minuscule componenten, die elk een wisselwerking hebben met licht. De optische eigenschappen van een metasurface komen voort uit het collectieve effect van deze componenten en metasurfaces kunnen worden gebruikt om bruikbare optische componenten te creëren, zoals platte lenzen. Herconfigureerbare metasurfaces hebben optische eigenschappen die op gecontroleerde manieren kunnen worden gewijzigd, waardoor er nog meer mogelijke toepassingen ontstaan.

Onlangs hebben onderzoekers herconfigureerbare metasurfaces gemaakt die laserlicht in specifieke richtingen kunnen sturen. Dit was mogelijk omdat laserlicht coherent is – al het licht is in fase en heeft dezelfde golflengte.

Deze bundelsturing is echter niet bereikt voor het onsamenhangende licht dat wordt uitgestraald door alledaagse bronnen zoals leds en gloeilampen. "Momenteel is er geen 'apparaat' dat licht kan uitstralen zoals een LED, en de emissie tegelijkertijd dynamisch in een bepaalde richting kan sturen", legt Brener uit.

Quantum dots

In hun studie heeft het Sandia-team deze tekortkoming aangepakt door een nieuw metasurface te ontwerpen. Hun ontwerp heeft een in kwantumpunten ingebed metasurface dat op een brekende Bragg-spiegel is geplaatst. Dit is een spiegel die is opgebouwd uit meerdere, periodiek gerangschikte lagen met variërende brekingsindices. Een Bragg-spiegel reflecteert licht in een smalle band van golflengten, terwijl ander licht wordt doorgelaten.

Elke kwantumdot zendt onsamenhangend licht uit en tijdens hun experimenten nam het team van Brener waar dat het metasurface ervoor zorgde dat het onsamenhangende licht van de kwantumdots faseveranderingen onderging. Deze veranderingen zorgen ervoor dat het licht zich niet over een breed scala aan hoeken verspreidt - en zorgen er in plaats daarvan voor dat een groot deel van het licht zich in één richting voortplant.

De voortplantingsrichting van het licht wordt geregeld door twee verschillende laserpulsen op het metasurface af te vuren. Eén puls wijzigt tijdelijk de brekingsindex van het metasurface, terwijl de andere puls ervoor zorgt dat de kwantumdots licht uitzenden. Het is deze modificatie die het uitgezonden licht stuurt.

"We waren in staat om de onsamenhangende emissie van kwantumdots die in het metasurface waren ingebed over een bereik van 70 graden te sturen", legt Brener uit. Bovendien kan het licht over tijdschalen van minder dan een picoseconde worden gestuurd.

Brener wijst erop dat het ontwerp voorlopig vooral een proof of concept is, met veel ruimte voor toekomstige verbetering. "In een uiteindelijk apparaat zou dit patroon elektrisch opnieuw moeten worden geconfigureerd, zodat je uiteindelijk een combinatie van een LED en verschillende andere contacten hebt om de stralingshoek opnieuw te programmeren", zegt hij.

Meer ontwikkeling nodig

Het team erkent dat de commercialisering van hun technologie waarschijnlijk nog enkele jaren op zich laat wachten. Maar op basis van de resultaten die ze tot nu toe hebben bereikt, hopen ze dat andere onderzoekers zullen gaan nadenken over het brede scala aan technologieën die baat zouden kunnen hebben bij gecontroleerde manipulatie van onsamenhangend licht.

Het meta-oppervlak van de magnetron wordt opnieuw geconfigureerd met behulp van stappenmotoren

"Misschien kan dit type apparaat bestuurbare lasers vervangen", zegt Brener, eraan toevoegend dat het kan worden gebruikt om het energieverbruik in verlichtingssystemen te verminderen.

Andere mogelijke toepassingen zijn onder meer kleine displays die holografische beelden rechtstreeks op het oog kunnen projecteren met behulp van energiezuinige LED's. Dit zou met name handig zijn voor virtual en augmented reality-apparaten, waardoor ze veel eenvoudiger en goedkoper zijn dan op laser gebaseerde systemen. Elders zou het metasurface nuttig kunnen zijn bij teledetectie. Dit omvat de LIDAR-systemen die door zelfrijdende voertuigen worden gebruikt om hun omgeving te visualiseren.

Het onderzoek is beschreven in Natuur Fotonica.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoAiStream. Web3 gegevensintelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• De toekomst slaan met Adryenn Ashley. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/reconfigurable-metasurface-steers-incoherent-light-in-less-than-a-picosecond/