Возможность точно контролировать различные свойства лазерного света имеет решающее значение для многих технологий, которые мы используем сегодня, от коммерческих гарнитур виртуальной реальности (VR) до микроскопических изображений для биомедицинских исследований. Многие современные лазерные системы используют отдельные вращающиеся компоненты для управления длиной волны, формой и мощностью лазерного луча, что делает эти устройства громоздкими и сложными в обслуживании.

Теперь исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук Джона А. Полсона разработали единую метаповерхность, которая может эффективно настраивать различные свойства лазерного света, включая длину волны, без необходимости в дополнительных оптических компонентах. Метаповерхность может разделять свет на несколько лучей и управлять их формой и интенсивностью независимым, точным и энергоэффективным способом.

Это исследование открывает двери для легких и эффективных оптических систем для широкого круга приложений, от квантового зондирования до гарнитур VR / AR.

«Наш подход открывает путь к новым методам проектирования излучения оптических источников и управления несколькими функциями, такими как фокусировка, голограммы, поляризация и формирование луча, параллельно на одной метаповерхности», - сказал Федерико Капассо, Роберт Л. Уоллес. Профессор прикладной физики и старший научный сотрудник по электротехнике Винтон Хейс SEAS и старший автор статьи.

Исследование было недавно опубликовано в Природа связи.

Перестраиваемый лазер состоит всего из двух компонентов - лазерного диода и отражающей метаповерхности. В отличие от предыдущих метаповерхностей, которые полагались на сеть отдельных столбов для управления светом, эта поверхность использует так называемые суперячейки, группы столбов, которые работают вместе для управления различными аспектами света.

Когда свет от диода попадает на суперячейки на метаповерхности, часть света отражается обратно, создавая лазерный резонатор между диодом и метаповерхностью. Другая часть света отражается во второй луч, независимый от первого.

«Когда свет попадает на метаповерхность, разные цвета отклоняются в разных направлениях», - сказала Кристина Спэгеле, аспирантка SEAS и первый автор статьи. «Нам удалось использовать этот эффект и спроектировать его так, чтобы только длина волны, которую мы выбрали, имела правильное направление для входа обратно в диод, позволяя лазеру работать только на этой конкретной длине волны».

Чтобы изменить длину волны, исследователи просто перемещают метаповерхность относительно лазерного диода.

«Конструкция более компактна и проще, чем существующие лазеры с перестраиваемой длиной волны, поскольку не требует вращающихся компонентов», - сказал Мишель Таманьоне, бывший научный сотрудник SEAS и соавтор статьи.

Исследователи также показали, что форму лазерного луча можно полностью контролировать для проецирования сложной голограммы - в данном случае сложного векового гарвардского щита. Команда также продемонстрировала способность разделять падающий свет на три независимых луча, каждый с разными свойствами - обычный луч, оптический вихрь и луч, известный как луч Бесселя, который выглядит как яблочко и используется во многих приложениях, включая оптические. выщипывание.

«Помимо управления любым типом лазера, эта способность генерировать несколько лучей параллельно и направленных под произвольными углами, каждый из которых выполняет свою функцию, позволит использовать множество приложений, от научных приборов до дополненной или виртуальной реальности и голографии», - сказал Капассо.

###

Соавторами исследования являются Дмитрий Казаков, Маркус Оссиандер и Марко Пиккардо. Он был частично поддержан грантом Управления научных исследований ВВС США FA95550-19-1-0135 и грантом Управления военно-морских исследований МУРИ No. N00014-20-1-2450.