Een veelkleurige laseraanwijzer die u kunt gebruiken om de kleur van de laser te veranderen met een klik op de knop - vergelijkbaar met een veelkleurige balpen - is een stap dichter bij de realiteit dankzij een nieuw klein synthetisch materiaal dat is gemaakt in Sandia National Laboratories.

Een flitsende laserpointer kan leuk zijn om voor te stellen, maar het veranderen van de kleur van een laser heeft vele andere toepassingen, van het ontdekken van verborgen archeologische vindplaatsen in dichte bossen en het detecteren van tekenen van buitenaards leven in de lucht tot het mogelijk versnellen en vergroten van de capaciteit van langeafstandscommunicatie via glasvezelnetwerken.

Onderzoek naar het nieuwe lichtmengende metamateriaal werd gepubliceerd in: Natuurcommunicatie eerder vandaag. Het werk werd geleid door Sandia Senior Scientist Igal Brener samen met medewerkers van de Friedrich Schiller University Jena. Het artikel rapporteert hoe een metamateriaal bestaande uit een reeks nanocilinders twee laserpulsen van nabij-infrarood licht vermengde om 11 lichtgolven te produceren, variërend in kleur van het nabij-infrarood, door de kleuren van de regenboog, tot ultraviolet.

Een metamateriaal is een materiaal dat bestaat uit kleine, herhalende structuren die interageren met elektromagnetische golven op manieren die conventionele materialen niet kunnen. De structuren zijn veel kleiner dan de golflengte van het licht waarvoor ze zijn ontworpen. Ze lijken enigszins op de natuurlijke structuren die blauwe morpho-vlindervleugels hun spectaculaire kleurenspel geven. De vleugels hebben schubben met kleine herhalende structuren, die licht reflecteren om de blauwe kleur te produceren.

Metamateriaal mengt licht om 11 nieuwe golflengten te produceren

Voor deze optische mixer, de reeks nanocilinders is gemaakt van galliumarsenide, een halfgeleider die in veel soorten elektronica wordt gebruikt. Galliumarsenide buigt, of brekingen, licht sterk, wat essentieel is voor dit soort metamateriaal, zei Brenner. Elke nanocilinder is ongeveer 500 nanometer lang - of 100 keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar - met een diameter van ongeveer 400 nanometer. Ze zijn gerangschikt in een vierkant patroon op ongeveer 840 nanometer van elkaar.

Huidige manieren om licht te mengen, zoals die worden gebruikt voor groene laserpointers, gebruik speciaal vervaardigde kristallen om de lichtgolven perfect uit te lijnen om mengen mogelijk te maken, zei Brenner. Dit wordt faseaanpassing genoemd. Vanwege fysieke regels, elk kristal kan alleen efficiënt de fasen van één kleur van binnenkomend licht matchen om één andere kleur licht te produceren. Sandia's metamateriaal werkt op een heel andere manier.

In plaats daarvan, het team selecteerde twee nabij-infraroodlasers met golflengten afgestemd op de resonantiefrequenties van het metamateriaal, of de golflengten die het beste in de nanocilinders rondkaatsen, zei Polina Vabishchevich, een postdoctoraal aangestelde Sandia en eerste auteur op het papier. Het licht van deze twee lasers, noem ze frequenties A en B, mengt zich om 11 kleuren te produceren uit verschillende mengproducten, waaronder A+A, A+B, B+B, A+A+B, en A+B+B, onder andere complexe mengproducten.

"Met dit kleine apparaat en twee laserpulsen waren we in staat om tegelijkertijd 11 nieuwe kleuren te genereren, wat zo gaaf is, "zei Vabishchevich. "We hoeven de hoeken niet te veranderen of de fasen op elkaar af te stemmen."

Optische metamixer heeft potentieel voor wijdverbreide onderzoekstoepassingen

Het metamateriaal is gemaakt met behulp van processen die zijn ontleend aan de fabricage van halfgeleiderapparaten. Deze fabricage werd uitgevoerd in verschillende Sandia-faciliteiten, waaronder Sandia's Microsystems Engineering, Wetenschappen, en Toepassingencomplex en het Centrum voor Geïntegreerde Nanotechnologieën, een gebruikersfaciliteit van het Department of Energy Office of Science die gezamenlijk wordt beheerd met het Los Alamos National Laboratory.

"Als we geen toegang hadden tot de instrumenten die we bij Sandia hebben, dit onderzoek zou onmogelijk zijn geweest, "zei Brener. "Zonder het gespecialiseerde femtoseconde lasersysteem van CINT, het zou een hele uitdaging zijn geweest om deze metingen uit te voeren." Een femtoseconde is een miljoenste van een miljardste van een seconde en femtoseconde lasers produceren krachtig licht.

Hoewel de conversie-efficiëntie voor de optische metamixer erg laag is - het resulterende rood-oranje licht is bijvoorbeeld erg zwak in vergelijking met het inkomende licht - gelooft Brener dat de efficiëntie aanzienlijk kan worden verbeterd met verder werk, misschien door meerdere lagen metamateriaal te stapelen.

Veel verschillende soorten chemisch en biologisch onderzoek, van het gebruik van gespecialiseerde microscopen om te bestuderen hoe ziekten het immuunsysteem ontwijken tot het bestuderen van de chemie van verbranding om de efficiëntie van voertuigen te verbeteren, licht nodig op bepaalde golflengten. Deze optische metamixer kan licht van lasers omzetten naar een nieuwe golflengte waar een laser misschien niet beschikbaar is, of onderzoekers in staat stellen om van de ene golflengte naar de andere over te schakelen zonder een andere laser te hoeven kopen. zei Brenner.

Schakelbaar, afstembare lasers kunnen ook nuttig zijn in biologische, chemisch en atmosferisch onderzoek; teledetectie; op glasvezel gebaseerde communicatie; zelfs kwantumoptica.