レーザー光のさまざまな特性を正確に制御する機能は、商用バーチャルリアリティ（VR）ヘッドセットから生物医学研究用の顕微鏡イメージングまで、今日使用しているテクノロジーの多くにとって重要です。 今日のレーザーシステムの多くは、レーザービームの波長、形状、および出力を制御するために個別の回転コンポーネントに依存しているため、これらのデバイスはかさばり、保守が困難です。

現在、ハーバードジョンA.ポールソン工学応用科学部の研究者は、追加の光学部品を必要とせずに、波長を含むレーザー光のさまざまな特性を効果的に調整できる単一のメタ表面を開発しました。 メタサーフェスは、光を複数のビームに分割し、それらの形状と強度を独立した正確で電力効率の高い方法で制御できます。

この研究は、量子センシングからVR / ARヘッドセットまで、さまざまなアプリケーション向けの軽量で効率的な光学システムへの扉を開きます。

「私たちのアプローチは、光源の放射を設計し、集束、ホログラム、偏光、ビーム成形などの複数の機能を単一のメタサーフェスで並行して制御する新しい方法への道を開きます」と、ロバートL.ウォレスのフェデリコカパッソは述べています。応用物理学の教授であり、SEASの電気工学のVinton Hayes上級研究員であり、論文の上級著者です。

研究は最近で公開されました ネイチャー·コミュニケーションズ.

波長可変レーザーには、レーザーダイオードと反射メタサーフェスのXNUMXつのコンポーネントしかありません。 光を制御するために個々の柱のネットワークに依存していた以前のメタサーフェスとは異なり、このサーフェスは、光のさまざまな側面を制御するために連携する柱のグループである、いわゆるスーパーセルを使用します。

ダイオードからの光がメタ表面のスーパーセルに当たると、光の一部が反射して戻り、ダイオードとメタ表面の間にレーザーキャビティが作成されます。 光の他の部分は、最初のビームから独立したXNUMX番目のビームに反射されます。

「光がメタサーフェスに当たると、さまざまな色がさまざまな方向に偏向します」と、SEASの大学院生で論文の筆頭著者であるChristinaSpägeleは述べています。 「私たちはこの効果を利用して、選択した波長だけがダイオードに戻る正しい方向を持ち、レーザーがその特定の波長でのみ動作できるように設計しました。」

波長を変更するには、研究者は単にレーザーダイオードに対してメタサーフェスを移動します。

「設計は、回転部品を必要としないため、既存の波長可変レーザーよりもコンパクトでシンプルです」と、SEASの元ポスドクで論文の共著者であるMicheleTamagnone氏は述べています。

研究者たちはまた、レーザービームの形状を完全に制御して、複雑なホログラム（この場合は複雑なXNUMX年前のハーバードシールド）を投影できることを示しました。 チームはまた、入射光をそれぞれ異なる特性を持つXNUMXつの独立したビームに分割する機能を実証しました。従来のビーム、光渦、ベッセルビームと呼ばれるビームで、ブルズアイのように見え、光学を含む多くのアプリケーションで使用されます。ツイーズ。

「あらゆるタイプのレーザーを制御することに加えて、複数のビームを並列に生成し、それぞれが異なる機能を実装する任意の角度に向けられるこの機能により、科学機器から拡張現実または仮想現実やホログラフィーまで、多くのアプリケーションが可能になります」とCapasso氏は述べています。

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この調査は、Dmitry Kazakov、Marcus Ossiander、MarcoPiccardoによって共同執筆されました。 これは、空軍科学研究局の助成金FA95550-19-1-0135および海軍研究局のMURI助成金番号によって部分的にサポートされていました。 N00014-20-1-2450。