Die Fähigkeit, die verschiedenen Eigenschaften von Laserlicht präzise zu steuern, ist für viele der heute verwendeten Technologien von entscheidender Bedeutung, von kommerziellen Virtual Reality (VR)-Headsets bis hin zu mikroskopischer Bildgebung für die biomedizinische Forschung. Viele der heutigen Lasersysteme beruhen auf separaten, rotierenden Komponenten, um die Wellenlänge, Form und Leistung eines Laserstrahls zu steuern, was diese Geräte sperrig und schwierig zu warten macht.

Jetzt haben Forscher der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences eine einzige Metaoberfläche entwickelt, die die verschiedenen Eigenschaften des Laserlichts, einschließlich der Wellenlänge, ohne zusätzliche optische Komponenten effektiv abstimmen kann. Die Metaoberfläche kann Licht in mehrere Strahlen aufteilen und deren Form und Intensität unabhängig, präzise und energieeffizient steuern.

Die Forschung öffnet die Tür für leichte und effiziente optische Systeme für eine Reihe von Anwendungen, von der Quantensensorik bis hin zu VR/AR-Headsets.

„Unser Ansatz ebnet den Weg für neue Methoden, um die Emission optischer Quellen zu entwickeln und mehrere Funktionen wie Fokussierung, Hologramme, Polarisation und Strahlformung parallel in einer einzigen Metaoberfläche zu steuern“, sagte Federico Capasso, Robert L. Wallace Professor für Angewandte Physik und Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering bei SEAS und leitender Autor des Artikels.

Die Studie wurde kürzlich in . veröffentlicht Nature Communications veröffentlicht .

Der abstimmbare Laser besteht nur aus zwei Komponenten – einer Laserdiode und einer reflektierenden Metafläche. Im Gegensatz zu früheren Metaoberflächen, die sich zur Steuerung des Lichts auf ein Netzwerk einzelner Säulen stützten, verwendet diese Oberfläche sogenannte Superzellen, Gruppen von Säulen, die zusammenarbeiten, um verschiedene Aspekte des Lichts zu kontrollieren.

Wenn das Licht der Diode auf die Superzellen auf der Metaoberfläche trifft, wird ein Teil des Lichts zurückreflektiert, wodurch ein Laserhohlraum zwischen der Diode und der Metaoberfläche entsteht. Der andere Teil des Lichts wird in einen zweiten Strahl reflektiert, der vom ersten unabhängig ist.

„Wenn Licht auf die Metaoberfläche trifft, werden verschiedene Farben in unterschiedliche Richtungen abgelenkt“, sagt Christina Spägele, Doktorandin am SEAS und Erstautorin des Artikels. „Wir haben es geschafft, diesen Effekt zu nutzen und ihn so zu gestalten, dass nur die von uns ausgewählte Wellenlänge die richtige Richtung hat, um in die Diode zurückzukehren, sodass der Laser nur bei dieser spezifischen Wellenlänge arbeiten kann.“

Um die Wellenlänge zu ändern, bewegen die Forscher einfach die Metafläche in Bezug auf die Laserdiode.

„Das Design ist kompakter und einfacher als bei bestehenden Lasern mit abstimmbarer Wellenlänge, da es keine rotierenden Komponenten benötigt“, sagte Michele Tamagnene, ehemaliger Postdoktorand am SEAS und Co-Autor des Artikels.

Die Forscher zeigten auch, dass die Form des Laserstrahls vollständig gesteuert werden kann, um ein komplexes Hologramm zu projizieren – in diesem Fall das komplexe, jahrhundertealte Harvard-Schild. Das Team demonstrierte auch die Fähigkeit, das einfallende Licht in drei unabhängige Strahlen mit jeweils unterschiedlichen Eigenschaften aufzuteilen – einen konventionellen Strahl, einen optischen Wirbel und einen als Bessel-Strahl bekannten Strahl, der wie ein Bullauge aussieht und in vielen Anwendungen einschließlich optischer Pinzette.

„Neben der Steuerung jeder Art von Laser wird diese Fähigkeit, mehrere Strahlen parallel und in beliebigen Winkeln zu erzeugen, die jeweils eine andere Funktion implementieren, viele Anwendungen ermöglichen, von wissenschaftlichen Instrumenten bis hin zu Augmented oder Virtual Reality und Holographie“, sagte Capasso.

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Die Studie wurde gemeinsam von Dmitry Kazakov, Marcus Ossiander und Marco Piccardo verfasst. Es wurde teilweise vom Air Force Office of Scientific Research Grant FA95550-19-1-0135 und dem Office of Naval Research MURI Grant No. N00014-20-1-2450.