Omkonfigurerbar metayta styr osammanhängande ljus på mindre än en pikosekund

Utifrån de senaste framstegen inom metasytor och nanofotonik har forskare i USA designat en ny ljuskälla som kan styra strålar av osammanhängande ljus över ultrakorta tidsskalor. Utvecklad av Igal Brener och kollegor vid Sandia National Laboratories i New Mexico, har källan en omkonfigurerbar metayta som är inbäddad med kvantprickar. Med vidareutveckling skulle konceptet kunna användas för att förbättra virtuell verklighetsskärmar, sensorer för autonoma fordon och belysningssystem.

En optisk metayta består av ett mönster av små komponenter, som var och en interagerar med ljus. De optiska egenskaperna hos en metayta härrör från den samlade effekten av dessa komponenter och metasytor kan användas för att skapa användbara optiska komponenter såsom platta linser. Omkonfigurerbara metasytor har optiska egenskaper som kan ändras på kontrollerade sätt, vilket öppnar upp för ännu fler möjliga tillämpningar.

Nyligen har forskare skapat omkonfigurerbara metasytor som kan styra laserljus i specifika riktningar. Detta var möjligt eftersom laserljus är koherent – ​​allt ljus är i fas och på samma våglängd.

Denna strålstyrning har dock inte uppnåtts för det osammanhängande ljuset som sänds ut av vardagliga källor som lysdioder och glödlampor. "För närvarande finns det ingen "enhet" som kan avge ljus som en LED, och dynamiskt styra utsläppet i en viss riktning samtidigt, förklarar Brener.

Kvantprickar

I sin studie tog Sandia-teamet upp denna brist genom att designa en ny metayta. Deras design har en kvantpunktsinbäddad metayta placerad på en refraktiv Bragg-spegel. Detta är en spegel som är uppbyggd av flera, periodiskt arrangerade lager med varierande brytningsindex. En Bragg-spegel reflekterar ljus i ett smalt band av våglängder, samtidigt som det låter annat ljus passera igenom.

Varje kvantpunkt sänder ut osammanhängande ljus och i sina experiment observerade Breners team att metaytan fick det osammanhängande ljuset från kvantprickarna att genomgå fasförändringar. Dessa förändringar hindrar ljuset från att spridas över ett brett spektrum av vinklar – och gör istället att mycket av ljuset fortplantar sig i en riktning.

Ljusets utbredningsriktning styrs genom att avfyra två olika laserpulser mot metaytan. En puls modifierar temporärt metaytans brytningsindex, medan den andra pulsen får kvantprickarna att avge ljus. Det är denna modifiering som styr det utsända ljuset.

"Vi kunde styra den osammanhängande emissionen från kvantprickar inbäddade i metaytan över ett 70-gradersintervall", förklarar Brener. Dessutom kan ljuset styras över tidsskalor under pikosekunder.

Brener påpekar att designen för det mesta bara är ett proof of concept för nu, med mycket utrymme för framtida förbättringar. "I en slutlig enhet skulle det här mönstret behöva omkonfigureras elektriskt, så att du i slutändan har en kombination av en lysdiod och flera andra kontakter för att programmera om emissionsvinkeln", säger han.

Mer utveckling behövs

Teamet erkänner att kommersialiseringen av deras teknik sannolikt fortfarande är flera år bort. Men baserat på de resultat de har uppnått hittills hoppas de att andra forskare kommer att börja tänka på det breda utbudet av teknologier som kan dra nytta av kontrollerad manipulation av osammanhängande ljus.

Mikrovågsmetasyta omkonfigureras med hjälp av stegmotorer

"Kanske kan den här typen av enhet ersätta styrbara lasrar," säger Brener och tillägger att den kan användas för att minska energiförbrukningen i belysningssystem.

Andra möjliga applikationer inkluderar små displayer som kan projicera holografiska bilder direkt på ögat med hjälp av lågeffekts-LED. Detta skulle vara särskilt användbart för virtuella och förstärkta verklighetsenheter - vilket gör dem mycket enklare och billigare än laserbaserade system. På andra håll kan metaytan vara användbar vid fjärranalys. Detta inkluderar LIDAR-systemen som används av självkörande fordon för att visualisera sin omgivning.

Forskningen beskrivs i Naturfotonik.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Minting the Future med Adryenn Ashley. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/reconfigurable-metasurface-steers-incoherent-light-in-less-than-a-picosecond/