(Mit freundlicher Genehmigung: Craig Fritz/Sandia National Laboratories)
Auf der Grundlage der neuesten Fortschritte in den Bereichen Metaoberflächen und Nanophotonik haben Forscher in den USA eine neue Lichtquelle entwickelt, die Strahlen inkohärenten Lichts über ultrakurze Zeitskalen lenken kann. Entwickelt von Igal Brener und Kollegen der Sandia National Laboratories in New Mexico verfügt die Quelle über eine rekonfigurierbare Metaoberfläche, in die Quantenpunkte eingebettet sind. Bei weiterer Entwicklung könnte das Konzept zur Verbesserung von Virtual-Reality-Displays, Sensoren für autonome Fahrzeuge und Beleuchtungssystemen eingesetzt werden.
Eine optische Metaoberfläche besteht aus einem Muster winziger Komponenten, von denen jede mit Licht interagiert. Die optischen Eigenschaften einer Metaoberfläche ergeben sich aus der kollektiven Wirkung dieser Komponenten, und Metaoberflächen können verwendet werden, um nützliche optische Komponenten wie flache Linsen zu erzeugen. Rekonfigurierbare Metaoberflächen haben optische Eigenschaften, die auf kontrollierte Weise verändert werden können, was noch mehr Anwendungsmöglichkeiten eröffnet.
Kürzlich haben Forscher rekonfigurierbare Metaoberflächen geschaffen, die Laserlicht in bestimmte Richtungen lenken können. Dies war möglich, weil Laserlicht kohärent ist – alles Licht ist in Phase und hat die gleiche Wellenlänge.
Diese Strahlsteuerung wurde jedoch nicht für das inkohärente Licht erreicht, das von alltäglichen Quellen wie LEDs und Glühlampen emittiert wird. „Derzeit gibt es kein ‚Gerät', das wie eine LED Licht emittieren und gleichzeitig die Emission dynamisch in eine bestimmte Richtung lenken kann“, erklärt Brener.
Quantendots
In ihrer Studie ging das Sandia-Team auf diesen Mangel ein, indem es eine neue Metaoberfläche entwarf. Ihr Design weist eine in Quantenpunkte eingebettete Metaoberfläche auf, die auf einem brechenden Bragg-Spiegel positioniert ist. Dies ist ein Spiegel, der aus mehreren, periodisch angeordneten Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes aufgebaut ist. Ein Bragg-Spiegel reflektiert Licht in einem schmalen Wellenlängenband, während anderes Licht durchgelassen wird.
Jeder Quantenpunkt emittiert inkohärentes Licht und in ihren Experimenten beobachtete Breners Team, dass die Metaoberfläche bewirkte, dass das inkohärente Licht von den Quantenpunkten Phasenänderungen durchmachte. Diese Änderungen hindern das Licht daran, sich über einen großen Bereich von Winkeln auszubreiten – und bewirken stattdessen, dass sich ein Großteil des Lichts in eine Richtung ausbreitet.
Die Ausbreitungsrichtung des Lichts wird gesteuert, indem zwei verschiedene Laserpulse auf die Metaoberfläche geschossen werden. Ein Puls modifiziert vorübergehend den Brechungsindex der Metaoberfläche, während der andere Puls die Quantenpunkte dazu bringt, Licht zu emittieren. Es ist diese Modifikation, die das emittierte Licht lenkt.
„Wir konnten die inkohärente Emission von Quantenpunkten, die in die Metaoberfläche eingebettet sind, über einen 70-Grad-Bereich steuern“, erklärt Brener. Darüber hinaus kann das Licht über Sub-Pikosekunden-Zeitskalen gesteuert werden.
Brener weist darauf hin, dass das Design vorerst nur ein Machbarkeitsnachweis ist, mit viel Raum für zukünftige Verbesserungen. „In einem endgültigen Gerät müsste dieses Muster elektrisch neu konfiguriert werden, sodass Sie am Ende eine Kombination aus einer LED und mehreren anderen Kontakten haben, um den Emissionswinkel neu zu programmieren“, sagt er.
Weitere Entwicklung erforderlich
Das Team räumt ein, dass die Kommerzialisierung ihrer Technologie wahrscheinlich noch einige Jahre entfernt ist. Aufgrund der bisher erzielten Ergebnisse hoffen sie jedoch, dass andere Forscher beginnen, über die breite Palette von Technologien nachzudenken, die von der kontrollierten Manipulation von inkohärentem Licht profitieren könnten.
Die Mikrowellen-Metaoberfläche wird unter Verwendung von Schrittmotoren rekonfiguriert
„Vielleicht könnte ein solches Gerät lenkbare Laser ersetzen“, sagt Brener und fügt hinzu, dass es zur Reduzierung des Energieverbrauchs in Beleuchtungssystemen eingesetzt werden könnte.
Andere mögliche Anwendungen sind kleine Displays, die holografische Bilder mit Low-Power-LEDs direkt auf das Auge projizieren können. Dies wäre besonders nützlich für Virtual- und Augmented-Reality-Geräte – was sie viel einfacher und billiger als laserbasierte Systeme macht. An anderer Stelle könnte die Metaoberfläche bei der Fernerkundung nützlich sein. Dazu gehören die LIDAR-Systeme, mit denen selbstfahrende Fahrzeuge ihre Umgebung visualisieren.
Die Forschung ist beschrieben in Nature Photonics.
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- Quelle: https://physicsworld.com/a/reconfigurable-metasurface-steers-incoherent-light-in-less-than-a-picosecond/
