Polarisatie, de richting waarin het licht trilt, is onzichtbaar voor het menselijk oog. Nog, zoveel van onze optische wereld is afhankelijk van de controle en manipulatie van deze verborgen kwaliteit van licht.

Materialen die de polarisatie van licht kunnen manipuleren - bekend als dubbelbrekende materialen - worden in alles gebruikt, van digitale wekkers tot medische diagnostiek, communicatie en astronomie.

Net zoals de polarisatie van licht langs een rechte lijn of een ellips kan trillen, materialen kunnen ook lineair of elliptisch dubbelbrekend zijn. Vandaag, de meeste dubbelbrekende materialen zijn intrinsiek lineair, wat betekent dat ze de polarisatie van licht slechts op een beperkte manier kunnen manipuleren. Als je brede polarisatiemanipulatie wilt bereiken, je moet meerdere dubbelbrekende materialen op elkaar stapelen, waardoor deze apparaten omvangrijk en inefficiënt worden.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences hebben een meta-oppervlak ontworpen dat continu kan worden afgesteld van lineaire naar elliptische dubbele breking, het openen van de volledige ruimte van polarisatiecontrole met slechts één apparaat. Dit enkele meta-oppervlak kan evenveel dubbelbrekende materialen parallel laten werken, waardoor compactere polarisatiemanipulatie mogelijk is, die verreikende toepassingen zouden kunnen hebben in polarisatiebeeldvorming, kwantum optica, en andere gebieden.

Het onderzoek is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

"Het is een nieuw type dubbelbrekend materiaal, " zei Zhujun Shi, een voormalig afgestudeerde student aan SEAS en eerste auteur van het papier. "We zijn in staat om het brede polarisatiegedrag van een materiaal af te stemmen op wat van nature bestaat, wat veel praktische voordelen heeft. Waar voorheen drie afzonderlijke conventionele dubbelbrekende componenten nodig waren, is er nu slechts één nodig".

"Het vermogen om een ​​fundamentele eigenschap van licht, zoals polarisatie, op volledig nieuwe manieren te manipuleren met een apparaat dat compact en multifunctioneel is, zal belangrijke toepassingen hebben voor kwantumoptica en optische communicatie, " zei Federico Capasso, Robert L. Wallace Professor of Applied Physics en Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering bij SEAS en senior auteur van het artikel.

Metasurfaces zijn arrays van nanopilaren die minder dan een golflengte uit elkaar liggen en die een reeks taken kunnen uitvoeren, inclusief het manipuleren van de fase, amplitude en polarisatie van licht. Vroeger, Capasso en zijn team hebben deze zeer geordende oppervlakken van de grond af ontworpen, met behulp van eenvoudige geometrische vormen met slechts een paar ontwerpparameters.

In dit onderzoek, echter, het team wendde zich tot een nieuw type ontwerptechniek die bekend staat als topologische optimalisatie.

"Topologische optimalisatie is een omgekeerde benadering, " zei Shi. "Je begint met wat je wilt dat het meta-oppervlak doet en dan laat je het algoritme de enorme parameterruimte verkennen om een ​​patroon te ontwikkelen dat die functie het beste kan leveren."

Het resultaat was verrassend. In plaats van netjes geordende rechthoekige pilaren die als speelgoedsoldaatjes staan, dit meta-oppervlak bestaat uit geneste halve cirkels die doen denken aan scheve smileygezichten - meer als iets dat een peuter zou tekenen dan een computer.

Maar deze vreemde vormen hebben een hele nieuwe wereld van dubbele breking geopend. Ze kunnen niet alleen brede polarisatiemanipulaties bereiken, zoals het transformeren van lineaire polarisatie in elke gewenste elliptische polarisatie, maar de polarisatie kan ook worden afgestemd door de hoek van het inkomende licht te veranderen.

"Onze aanpak heeft een breed scala aan potentiële toepassingen in de industrie en in wetenschappelijk onderzoek, inclusief polarisatie aberratie correctie in geavanceerde optische systemen, ' zei Capasso.