Реконфигурируемая метаповерхность управляет некогерентным светом менее чем за пикосекунду

Опираясь на последние достижения в области метаповерхностей и нанофотоники, исследователи из США разработали новый источник света, который может управлять лучами некогерентного света в сверхкоротких временных масштабах. Разработан Игал Бренер и коллег из Sandia National Laboratories в Нью-Мексико, источник представляет собой реконфигурируемую метаповерхность, в которую встроены квантовые точки. При дальнейшем развитии концепция может быть использована для улучшения дисплеев виртуальной реальности, датчиков для автономных транспортных средств и систем освещения.

Оптическая метаповерхность состоит из набора крошечных компонентов, каждый из которых взаимодействует со светом. Оптические свойства метаповерхности возникают в результате коллективного действия этих компонентов, и метаповерхности можно использовать для создания полезных оптических компонентов, таких как плоские линзы. Реконфигурируемые метаповерхности обладают оптическими свойствами, которые можно изменять контролируемым образом, открывая еще больше возможных приложений.

Недавно исследователи создали реконфигурируемые метаповерхности, которые могут направлять лазерный свет в определенных направлениях. Это стало возможным, потому что лазерный свет является когерентным — весь свет находится в фазе и имеет одну и ту же длину волны.

Однако это управление лучом не было достигнуто для некогерентного света, излучаемого повседневными источниками, такими как светодиоды и лампы накаливания. «В настоящее время не существует «устройства», которое могло бы излучать свет, как светодиод, и в то же время динамически направлять излучение в определенном направлении», — объясняет Бренер.

Квантовые точки

В своем исследовании команда Sandia устранила этот недостаток, разработав новую метаповерхность. Их конструкция представляет собой метаповерхность с квантовыми точками, расположенную на преломляющем брэгговском зеркале. Это зеркало, состоящее из нескольких периодически расположенных слоев с разными показателями преломления. Зеркало Брэгга отражает свет в узком диапазоне длин волн, пропуская при этом другой свет.

Каждая квантовая точка излучает некогерентный свет, и в своих экспериментах команда Бренера заметила, что метаповерхность вызывает фазовые изменения некогерентного света от квантовых точек. Эти изменения препятствуют распространению света в широком диапазоне углов и вместо этого заставляют большую часть света распространяться в одном направлении.

Направление распространения света контролируется путем запуска двух разных лазерных импульсов на метаповерхность. Один импульс временно изменяет показатель преломления метаповерхности, а другой импульс заставляет квантовые точки излучать свет. Именно эта модификация управляет излучаемым светом.

«Мы смогли управлять некогерентным излучением квантовых точек, встроенных в метаповерхность, в диапазоне 70 градусов», — объясняет Бренер. Более того, светом можно управлять в субпикосекундных временных масштабах.

Бренер отмечает, что на данный момент дизайн в основном является лишь доказательством концепции, и есть много возможностей для будущих улучшений. «В окончательном устройстве этот шаблон должен быть переконфигурирован электрически, чтобы в итоге у вас была комбинация светодиода и нескольких других контактов для перепрограммирования угла излучения», — говорит он.

Необходимо больше развития

Команда признает, что до коммерциализации их технологии, вероятно, еще несколько лет. Тем не менее, основываясь на результатах, достигнутых ими на данный момент, они надеются, что другие исследователи начнут думать о широком спектре технологий, которые могут извлечь выгоду из контролируемого манипулирования некогерентным светом.

Микроволновая метаповерхность реконфигурируется с помощью шаговых двигателей.

«Возможно, этот тип устройства мог бы заменить управляемые лазеры», — говорит Бренер, добавляя, что его можно использовать для снижения энергопотребления в системах освещения.

Другие возможные приложения включают в себя небольшие дисплеи, которые могут проецировать голографические изображения прямо на глаз с помощью маломощных светодиодов. Это было бы особенно полезно для устройств виртуальной и дополненной реальности, делая их намного проще и дешевле, чем лазерные системы. В другом месте метаповерхность может быть полезна для дистанционного зондирования. Это включает в себя системы LIDAR, используемые беспилотными транспортными средствами для визуализации их окружения.

Исследование описано в Nature Photonics.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• ПлатонАйСтрим. Анализ данных Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Чеканка будущего с Эдриенн Эшли. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/reconfigurable-metasurface-steers-incoherent-light-in-less-than-a-picosecond/