Rekonfigurowalna metapowierzchnia steruje niespójnym światłem w mniej niż pikosekundę

Czerpiąc z najnowszych osiągnięć w dziedzinie metapowierzchni i nanofotoniki, naukowcy ze Stanów Zjednoczonych zaprojektowali nowe źródło światła, które może sterować wiązkami niespójnego światła w ultrakrótkich skalach czasowych. Opracowany przez Igala Brenera i współpracownikami z Sandia National Laboratories w Nowym Meksyku źródło zawiera rekonfigurowalną metapowierzchnię, która jest osadzona w kropkach kwantowych. W miarę dalszego rozwoju koncepcja może zostać wykorzystana do ulepszenia wyświetlaczy rzeczywistości wirtualnej, czujników do pojazdów autonomicznych i systemów oświetleniowych.

Metapowierzchnia optyczna składa się z zestawu maleńkich elementów, z których każdy oddziałuje ze światłem. Właściwości optyczne metapowierzchni wynikają ze zbiorowego efektu tych składników, a metapowierzchnie można wykorzystać do stworzenia użytecznych elementów optycznych, takich jak płaskie soczewki. Rekonfigurowalne metapowierzchnie mają właściwości optyczne, które można zmieniać w kontrolowany sposób, otwierając jeszcze więcej możliwych zastosowań.

Niedawno naukowcy stworzyli rekonfigurowalne metapowierzchnie, które mogą kierować światło lasera w określonych kierunkach. Było to możliwe, ponieważ światło lasera jest spójne – całe światło jest w fazie i ma tę samą długość fali.

Jednak takie sterowanie wiązką nie zostało osiągnięte w przypadku niespójnego światła emitowanego przez źródła światła codziennego, takie jak diody LED i żarówki. „Obecnie nie ma żadnego urządzenia, które mogłoby emitować światło jak dioda LED i jednocześnie dynamicznie kierować emisję w określonym kierunku” — wyjaśnia Brener.

Kropki kwantowe

W swoich badaniach zespół Sandia zajął się tym niedociągnięciem, projektując nową metapowierzchnię. Ich konstrukcja obejmuje metapowierzchnię osadzoną w kropce kwantowej, umieszczoną na refrakcyjnym zwierciadle Bragga. Jest to lustro, które składa się z wielu, okresowo ułożonych warstw o ​​różnych współczynnikach załamania światła. Lustro Bragga odbija światło w wąskim paśmie długości fal, jednocześnie przepuszczając inne światło.

Każda kropka kwantowa emituje niespójne światło, aw swoich eksperymentach zespół Brenera zaobserwował, że metapowierzchnia powoduje, że niespójne światło z kropek kwantowych ulega zmianom fazowym. Zmiany te powstrzymują światło przed rozprzestrzenianiem się w szerokim zakresie kątów – zamiast tego powodują, że większość światła rozchodzi się w jednym kierunku.

Kierunek propagacji światła jest kontrolowany przez wystrzelenie dwóch różnych impulsów laserowych na metapowierzchnię. Jeden impuls tymczasowo modyfikuje współczynnik załamania metapowierzchni, podczas gdy drugi impuls powoduje, że kropki kwantowe emitują światło. To właśnie ta modyfikacja steruje emitowanym światłem.

„Byliśmy w stanie sterować niespójną emisją z kropek kwantowych osadzonych w metapowierzchni w zakresie 70 stopni” – wyjaśnia Brener. Co więcej, światłem można sterować w skali czasu poniżej pikosekundy.

Brener zwraca uwagę, że projekt jest na razie w większości tylko dowodem słuszności koncepcji, z dużym polem do przyszłych ulepszeń. „W końcowym urządzeniu ten wzór musiałby zostać ponownie skonfigurowany elektrycznie, tak aby na końcu mieć kombinację diody LED i kilku innych styków do przeprogramowania kąta emisji”, mówi.

Potrzebny dalszy rozwój

Zespół przyznaje, że komercjalizacja ich technologii jest prawdopodobnie jeszcze za kilka lat. Jednak w oparciu o wyniki, które osiągnęli do tej pory, mają nadzieję, że inni badacze zaczną myśleć o szerokim zakresie technologii, które mogłyby skorzystać na kontrolowanej manipulacji niespójnym światłem.

Metapowierzchnia mikrofalowa jest rekonfigurowana za pomocą silników krokowych

„Być może tego typu urządzenie mogłoby zastąpić sterowane lasery”, mówi Brener, dodając, że można by je wykorzystać do zmniejszenia zużycia energii w systemach oświetleniowych.

Inne możliwe zastosowania obejmują małe wyświetlacze, które mogą wyświetlać obrazy holograficzne bezpośrednio na oku za pomocą diod LED o niskim poborze mocy. Byłoby to szczególnie przydatne w przypadku urządzeń rzeczywistości wirtualnej i rzeczywistości rozszerzonej – czyniąc je znacznie prostszymi i tańszymi niż systemy laserowe. Gdzie indziej metapowierzchnia może być przydatna w teledetekcji. Obejmuje to systemy LIDAR wykorzystywane przez pojazdy samojezdne do wizualizacji otoczenia.

Badania opisano w Nature Photonics.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoAiStream. Analiza danych Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• Wybijanie przyszłości w Adryenn Ashley. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/reconfigurable-metasurface-steers-incoherent-light-in-less-than-a-picosecond/