تعد القدرة على التحكم الدقيق في الخصائص المختلفة لضوء الليزر أمرًا بالغ الأهمية لكثير من التقنيات التي نستخدمها اليوم ، من سماعات الواقع الافتراضي التجارية (VR) إلى التصوير المجهري للبحوث الطبية الحيوية. تعتمد العديد من أنظمة الليزر اليوم على مكونات دوارة منفصلة للتحكم في الطول الموجي والشكل وقوة شعاع الليزر ، مما يجعل هذه الأجهزة ضخمة ويصعب صيانتها.

الآن ، طور الباحثون في كلية هارفارد جون إيه بولسون للهندسة والعلوم التطبيقية سطحًا خارقًا واحدًا يمكنه ضبط الخصائص المختلفة لضوء الليزر ، بما في ذلك الطول الموجي ، دون الحاجة إلى مكونات بصرية إضافية. يمكن للخط الفوقي تقسيم الضوء إلى أشعة متعددة والتحكم في شكلها وشدتها بطريقة مستقلة ودقيقة وموفرة للطاقة.

يفتح البحث الباب لأنظمة بصرية خفيفة الوزن وفعالة لمجموعة من التطبيقات ، من الاستشعار الكمي إلى سماعات الرأس VR / AR.

قال فيديريكو كاباسو ، روبرت إل والاس: "يمهد نهجنا الطريق لطرق جديدة لهندسة انبعاث المصادر الضوئية والتحكم في وظائف متعددة ، مثل التركيز ، والصور المجسمة ، والاستقطاب ، وتشكيل الحزمة ، بالتوازي في سطح خارقي واحد". أستاذ الفيزياء التطبيقية وزميل باحث أول فينتون هايز في الهندسة الكهربائية في SEAS وكبير مؤلفي البحث.

تم نشر البحث مؤخرًا في طبيعة الاتصالات.

يحتوي الليزر القابل للضبط على مكونين فقط - صمام ثنائي ليزر وسطح خارق عاكس. على عكس الأسطح الفوقية السابقة ، التي اعتمدت على شبكة من الأعمدة الفردية للتحكم في الضوء ، يستخدم هذا السطح ما يسمى بالخلايا الفائقة ، وهي مجموعات من الأعمدة التي تعمل معًا للتحكم في جوانب مختلفة من الضوء.

عندما يصطدم الضوء الصادر من الصمام الثنائي بالخلايا الفائقة على السطح الخارق ، ينعكس جزء من الضوء للخلف ، مما يخلق فجوة ليزر بين الصمام الثنائي والسطح الخارق. ينعكس الجزء الآخر من الضوء في شعاع ثانٍ مستقل عن الأول.

قالت كريستينا سباجيل ، طالبة الدراسات العليا في SEAS والمؤلفة الأولى للورقة: "عندما يضرب الضوء السطح الخارق ، تنحرف الألوان المختلفة في اتجاهات مختلفة". "لقد تمكنا من تسخير هذا التأثير وتصميمه بحيث يكون للطول الموجي الذي اخترناه فقط الاتجاه الصحيح للدخول مرة أخرى في الصمام الثنائي ، مما يتيح للليزر العمل فقط عند هذا الطول الموجي المحدد."

لتغيير الطول الموجي ، يقوم الباحثون ببساطة بتحريك السطح الخارق فيما يتعلق بصمام الليزر الثنائي.

قال ميشيل تاماجنون ، زميل ما بعد الدكتوراه السابق في SEAS والمؤلف المشارك للورقة البحثية: "التصميم أكثر إحكاما وأبسط من الليزر الحالي القابل لضبط الطول الموجي ، لأنه لا يتطلب أي مكون دوار".

أظهر الباحثون أيضًا أنه يمكن التحكم بشكل كامل في شكل شعاع الليزر لإبراز صورة ثلاثية الأبعاد معقدة - في هذه الحالة ، درع هارفارد المعقد الذي يعود إلى قرن من الزمان. أظهر الفريق أيضًا القدرة على تقسيم الضوء الساقط إلى ثلاث حزم مستقلة ، لكل منها خصائص مختلفة - شعاع تقليدي ، ودوامة بصرية وشعاع معروف باسم شعاع بيسيل ، والذي يشبه بولس ويستخدم في العديد من التطبيقات بما في ذلك البصري. نتف.

قال كاباسو: "بالإضافة إلى التحكم في أي نوع من أنواع الليزر ، فإن هذه القدرة على توليد أشعة متعددة في نفس الوقت وموجهة إلى زوايا عشوائية ، كل منها يقوم بوظيفة مختلفة ، ستمكن العديد من التطبيقات من الأجهزة العلمية إلى الواقع المعزز أو الافتراضي والتصوير المجسم".

# # #

شارك في كتابة البحث ديمتري كازاكوف وماركوس أوسيندر وماركو بيكاردو. تم دعمه جزئيًا من قبل مكتب القوات الجوية للبحوث العلمية منحة FA95550-19-1-0135 ومكتب البحوث البحرية MURI منح لا. N00014-20-1-2450.