Rekonfigurerbar metasurface styrer usammenhengende lys på mindre enn et picosekund

Med utgangspunkt i de siste fremskrittene innen metasurfaces og nanofotonikk, har forskere i USA designet en ny lyskilde som kan styre stråler av usammenhengende lys over ultrakorte tidsskalaer. Utviklet av Igal Brener og kolleger ved Sandia National Laboratories i New Mexico, har kilden en rekonfigurerbar metaoverflate som er innebygd med kvanteprikker. Med videreutvikling kan konseptet brukes til å forbedre virtual reality-skjermer, sensorer for autonome kjøretøy og lyssystemer.

En optisk metaoverflate består av et mønster av små komponenter, som hver samhandler med lys. De optiske egenskapene til en metaoverflate oppstår fra den kollektive effekten av disse komponentene, og metaoverflater kan brukes til å lage nyttige optiske komponenter som flate linser. Rekonfigurerbare metaoverflater har optiske egenskaper som kan endres på kontrollerte måter, og åpner for enda flere mulige applikasjoner.

Nylig har forskere laget rekonfigurerbare metaoverflater som kan styre laserlys i bestemte retninger. Dette var mulig fordi laserlys er koherent - alt lyset er i fase og på samme bølgelengde.

Denne strålestyringen har imidlertid ikke blitt oppnådd for det usammenhengende lyset som sendes ut av hverdagskilder som LED og glødepærer. "Foreløpig er det ingen "enhet" som kan sende ut lys som en LED, og ​​dynamisk styre utslippet i en bestemt retning på samme tid, forklarer Brener.

Kvanteprikker

I sin studie adresserte Sandia-teamet denne mangelen ved å designe en ny metasurface. Designet deres har en kvantepunktinnebygd metaoverflate plassert på et refraktivt Bragg-speil. Dette er et speil som består av flere, periodisk arrangerte lag med varierende brytningsindekser. Et Bragg-speil reflekterer lys i et smalt bånd av bølgelengder, samtidig som det lar annet lys passere gjennom.

Hver kvanteprikk sender ut usammenhengende lys, og i sine eksperimenter observerte Breners team at metaoverflaten fikk det usammenhengende lyset fra kvanteprikkene til å gjennomgå faseendringer. Disse endringene hindrer lyset i å spre seg over et bredt spekter av vinkler – og får i stedet mye av lyset til å forplante seg i én retning.

Forplantningsretningen til lyset styres ved å avfyre ​​to forskjellige laserpulser mot metaoverflaten. Den ene pulsen modifiserer midlertidig brytningsindeksen til metasflaten, mens den andre pulsen får kvanteprikkene til å sende ut lys. Det er denne modifikasjonen som styrer det utsendte lyset.

"Vi var i stand til å styre det usammenhengende utslippet fra kvanteprikker innebygd i metaoverflaten over et 70-graders område," forklarer Brener. Dessuten kan lyset styres over tidsskalaer under pikosekunder.

Brener påpeker at designet stort sett bare er et proof of concept for nå, med mye rom for fremtidig forbedring. "I en endelig enhet, ville dette mønsteret måtte rekonfigureres elektrisk, slik at du til slutt har en kombinasjon av en LED og flere andre kontakter for å omprogrammere emisjonsvinkelen," sier han.

Det trengs mer utvikling

Teamet erkjenner at kommersialiseringen av teknologien deres sannsynligvis fortsatt er flere år unna. Likevel, basert på resultatene de har oppnådd så langt, håper de at andre forskere vil begynne å tenke på det brede spekteret av teknologier som kan dra nytte av kontrollert manipulering av usammenhengende lys.

Mikrobølge-metasurface er rekonfigurert ved hjelp av trinnmotorer

"Kanskje denne typen enhet kan erstatte styrbare lasere," sier Brener, og legger til at den kan brukes til å redusere energiforbruket i lyssystemer.

Andre mulige bruksområder inkluderer små skjermer som kan projisere holografiske bilder direkte på øyet ved hjelp av lysdioder med lav effekt. Dette vil være spesielt nyttig for virtuelle og utvidede virkelighetsenheter - noe som gjør dem langt enklere og billigere enn laserbaserte systemer. Andre steder kan metaoverflaten være nyttig i fjernmåling. Dette inkluderer LIDAR-systemene som brukes av selvkjørende kjøretøy for å visualisere omgivelsene.

Forskningen er beskrevet i Nature Photonics.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• Minting the Future med Adryenn Ashley. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/reconfigurable-metasurface-steers-incoherent-light-in-less-than-a-picosecond/