Evnen til nøyaktig å kontrollere de ulike egenskapene til laserlys er avgjørende for mye av teknologien vi bruker i dag, fra kommersielle virtuell virkelighet (VR)-headset til mikroskopisk bildebehandling for biomedisinsk forskning. Mange av dagens lasersystemer er avhengige av separate, roterende komponenter for å kontrollere bølgelengden, formen og kraften til en laserstråle, noe som gjør disse enhetene klumpete og vanskelige å vedlikeholde.

Nå har forskere ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences utviklet en enkelt metaoverflate som effektivt kan justere de forskjellige egenskapene til laserlys, inkludert bølgelengde, uten behov for ekstra optiske komponenter. Metaoverflaten kan dele opp lys i flere stråler og kontrollere deres form og intensitet på en uavhengig, presis og strømeffektiv måte.

Forskningen åpner døren for lette og effektive optiske systemer for en rekke bruksområder, fra kvanteregistrering til VR/AR-headset.

"Vår tilnærming baner vei for nye metoder for å konstruere utslipp av optiske kilder og kontrollere flere funksjoner, som fokusering, hologrammer, polarisering og stråleforming, parallelt i en enkelt metaoverflate," sa Federico Capasso, Robert L. Wallace. Professor i anvendt fysikk og Vinton Hayes seniorforsker i elektroteknikk ved SEAS og seniorforfatter av artikkelen.

Forskningen ble nylig publisert i Nature Communications.

Den avstembare laseren har bare to komponenter - en laserdiode og en reflekterende metaoverflate. I motsetning til tidligere metaoverflater, som var avhengig av et nettverk av individuelle søyler for å kontrollere lys, bruker denne overflaten såkalte superceller, grupper av søyler som arbeider sammen for å kontrollere ulike aspekter av lys.

Når lys fra dioden treffer supercellene på metasflaten, reflekteres en del av lyset tilbake, og skaper et laserhulrom mellom dioden og metasflaten. Den andre delen av lyset reflekteres inn i en andre stråle som er uavhengig av den første.

"Når lys treffer metaoverflaten, avbøyes forskjellige farger i forskjellige retninger," sa Christina Spägele, en doktorgradsstudent ved SEAS og førsteforfatter av papiret. "Vi klarte å utnytte denne effekten og designe den slik at bare bølgelengden vi valgte har riktig retning for å komme tilbake i dioden, noe som gjør at laseren kun kan operere på den spesifikke bølgelengden."

For å endre bølgelengden flytter forskerne ganske enkelt metaoverflaten i forhold til laserdioden.

"Designet er mer kompakt og enklere enn eksisterende bølgelengdejusterbare lasere, siden det ikke krever noen roterende komponent," sa Michele Tamagnone, tidligere postdoktor ved SEAS og medforfatter av artikkelen.

Forskerne viste også at formen på laserstrålen kan kontrolleres fullt ut for å projisere et komplekst hologram - i dette tilfellet det komplekse, århundre gamle Harvard-skjoldet. Teamet demonstrerte også evnen til å dele det innfallende lyset i tre uavhengige stråler, hver med forskjellige egenskaper - en konvensjonell stråle, en optisk virvel og en stråle kjent som en Bessel-stråle, som ser ut som en bullseye og brukes i mange applikasjoner, inkludert optisk pinsett.

"I tillegg til å kontrollere alle typer laser, vil denne evnen til å generere flere stråler parallelt og rettet i vilkårlige vinkler, som hver implementerer en annen funksjon, muliggjøre mange applikasjoner fra vitenskapelig instrumentering til utvidet eller virtuell virkelighet og holografi," sa Capasso.

# # #

Forskningen ble medforfatter av Dmitry Kazakov, Marcus Ossiander og Marco Piccardo. Det ble delvis støttet av Air Force Office of Scientific Research-stipend FA95550-19-1-0135 og Office of Naval Research MURI-stipend nr. N00014-20-1-2450.