लेज़र लाइट के विभिन्न गुणों को सटीक रूप से नियंत्रित करने की क्षमता आज हम उपयोग की जाने वाली अधिकांश तकनीक के लिए महत्वपूर्ण है, वाणिज्यिक आभासी वास्तविकता (वीआर) हेडसेट से लेकर बायोमेडिकल अनुसंधान के लिए सूक्ष्म इमेजिंग तक। आज की कई लेज़र प्रणालियाँ एक लेज़र बीम की तरंग दैर्ध्य, आकार और शक्ति को नियंत्रित करने के लिए अलग, घूमने वाले घटकों पर निर्भर करती हैं, जिससे इन उपकरणों को भारी और बनाए रखना मुश्किल हो जाता है।

अब, हार्वर्ड जॉन ए पॉलसन स्कूल ऑफ इंजीनियरिंग एंड एप्लाइड साइंसेज के शोधकर्ताओं ने एक एकल मेटासुरफेस विकसित किया है जो अतिरिक्त ऑप्टिकल घटकों की आवश्यकता के बिना तरंग दैर्ध्य सहित लेजर प्रकाश के विभिन्न गुणों को प्रभावी ढंग से ट्यून कर सकता है। मेटासुरफेस प्रकाश को कई बीमों में विभाजित कर सकता है और एक स्वतंत्र, सटीक और शक्ति-कुशल तरीके से उनके आकार और तीव्रता को नियंत्रित कर सकता है।

यह शोध क्वांटम सेंसिंग से लेकर वीआर/एआर हेडसेट्स तक कई तरह के अनुप्रयोगों के लिए हल्के और कुशल ऑप्टिकल सिस्टम के लिए द्वार खोलता है।

"हमारा दृष्टिकोण ऑप्टिकल स्रोतों के उत्सर्जन को इंजीनियर करने के लिए नए तरीकों का मार्ग प्रशस्त करता है और एक ही मेटासुरफेस में समानांतर में ध्यान केंद्रित करने, होलोग्राम, ध्रुवीकरण और बीम आकार देने जैसे कई कार्यों को नियंत्रित करता है," रॉबर्ट एल वालेस, फेडेरिको कैपासो ने कहा। एप्लाइड फिजिक्स के प्रोफेसर और एसईएएस में इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग में विंटन हेस सीनियर रिसर्च फेलो और पेपर के वरिष्ठ लेखक।

शोध हाल ही में में प्रकाशित हुआ था संचार प्रकृति.

ट्यून करने योग्य लेज़र में केवल दो घटक होते हैं - एक लेज़र डायोड और एक परावर्तक मेटासुरफेस। पिछले मेटासर्फ्स के विपरीत, जो प्रकाश को नियंत्रित करने के लिए अलग-अलग स्तंभों के नेटवर्क पर निर्भर था, यह सतह तथाकथित सुपरसेल्स, स्तंभों के समूह का उपयोग करती है जो प्रकाश के विभिन्न पहलुओं को नियंत्रित करने के लिए मिलकर काम करते हैं।

जब डायोड से प्रकाश मेटासुरफेस पर सुपरसेल्स से टकराता है, तो प्रकाश का हिस्सा वापस परावर्तित हो जाता है, जिससे डायोड और मेटासुरफेस के बीच एक लेजर कैविटी बनती है। प्रकाश का दूसरा भाग दूसरे बीम में परावर्तित होता है जो पहले से स्वतंत्र होता है।

"जब प्रकाश मेटासुरफेस से टकराता है, तो अलग-अलग रंगों को अलग-अलग दिशाओं में विक्षेपित किया जाता है," एसईएएस में स्नातक की छात्रा और पेपर की पहली लेखिका क्रिस्टीना स्पैजेल ने कहा। "हम इस प्रभाव का उपयोग करने और इसे डिजाइन करने में कामयाब रहे ताकि हमारे द्वारा चुने गए तरंगदैर्ध्य में डायोड में वापस प्रवेश करने की सही दिशा हो, जिससे लेजर केवल उस विशिष्ट तरंगदैर्ध्य पर संचालित हो सके।"

तरंग दैर्ध्य को बदलने के लिए, शोधकर्ता केवल लेजर डायोड के संबंध में मेटासुरफेस को स्थानांतरित करते हैं।

एसईएएस के पूर्व पोस्टडॉक्टरल फेलो और पेपर के सह-लेखक मिशेल टैमाग्नोन ने कहा, "डिजाइन मौजूदा तरंग दैर्ध्य-ट्यून करने योग्य लेजर की तुलना में अधिक कॉम्पैक्ट और सरल है, क्योंकि इसमें किसी घूर्णन घटक की आवश्यकता नहीं होती है।"

शोधकर्ताओं ने यह भी दिखाया कि जटिल होलोग्राम को प्रोजेक्ट करने के लिए लेजर बीम के आकार को पूरी तरह से नियंत्रित किया जा सकता है - इस मामले में जटिल, शताब्दी पुरानी हार्वर्ड ढाल। टीम ने घटना प्रकाश को तीन स्वतंत्र बीमों में विभाजित करने की क्षमता का भी प्रदर्शन किया, प्रत्येक अलग-अलग गुणों के साथ - एक पारंपरिक बीम, एक ऑप्टिकल भंवर और एक बीम जिसे बेसेल बीम के रूप में जाना जाता है, जो एक बुल्सआई की तरह दिखता है और ऑप्टिकल सहित कई अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है। चिमटी

"किसी भी प्रकार के लेजर को नियंत्रित करने के अलावा, समानांतर में कई बीम उत्पन्न करने और मनमाने कोणों पर निर्देशित करने की यह क्षमता, प्रत्येक एक अलग कार्य को लागू करने से, वैज्ञानिक उपकरण से संवर्धित या आभासी वास्तविकता और होलोग्राफी तक कई अनुप्रयोगों को सक्षम करेगा," कैपासो ने कहा।

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शोध के सह-लेखक दिमित्री काजाकोव, मार्कस ओस्सिएंडर और मार्को पिकार्डो थे। इसे वायु सेना कार्यालय वैज्ञानिक अनुसंधान अनुदान FA95550-19-1-0135 और नौसेना अनुसंधान कार्यालय MURI अनुदान संख्या द्वारा समर्थित किया गया था। N00014-20-1-2450।