Het vermogen om de verschillende eigenschappen van laserlicht nauwkeurig te regelen, is van cruciaal belang voor veel van de technologie die we tegenwoordig gebruiken, van commerciële virtual reality (VR)-headsets tot microscopische beeldvorming voor biomedisch onderzoek. Veel van de huidige lasersystemen zijn afhankelijk van afzonderlijke, roterende componenten om de golflengte te regelen, vorm en kracht van een laserstraal, waardoor deze apparaten omvangrijk en moeilijk te onderhouden zijn.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences hebben één enkel meta-oppervlak ontwikkeld dat de verschillende eigenschappen van laserlicht effectief kan afstemmen, inclusief golflengte, zonder dat er extra optische componenten nodig zijn. Het meta-oppervlak kan licht in meerdere bundels splitsen en hun vorm en intensiteit in een onafhankelijke, nauwkeurige en energiezuinige manier.

Het onderzoek opent de deur voor lichtgewicht en efficiënte optische systemen voor een scala aan toepassingen, van quantum sensing tot VR/AR-headsets.

"Onze aanpak maakt de weg vrij voor nieuwe methoden om de emissie van optische bronnen te construeren en meerdere functies te regelen, zoals focussen, hologrammen, polarisatie, en straalvorming, parallel in een enkel meta-oppervlak, " zei Federico Capasso, de Robert L. Wallace Professor of Applied Physics en Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering bij SEAS en senior auteur van het artikel.

Het onderzoek is onlangs gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

De afstembare laser heeft slechts twee componenten:een laserdiode en een reflecterend meta-oppervlak. In tegenstelling tot eerdere meta-oppervlakken, die vertrouwden op een netwerk van individuele pilaren om licht te regelen, dit oppervlak maakt gebruik van zogenaamde supercellen, groepen pilaren die samenwerken om verschillende aspecten van licht te beheersen.

Als het licht van de diode de supercellen op het meta-oppervlak raakt, een deel van het licht wordt teruggekaatst, het creëren van een laserholte tussen de diode en het meta-oppervlak. Het andere deel van het licht wordt gereflecteerd in een tweede straal die onafhankelijk is van de eerste.

"Als licht het metaoppervlak raakt, verschillende kleuren worden in verschillende richtingen afgebogen, " zei Christina Spägele, een afgestudeerde student aan SEAS en eerste auteur van het papier. "We zijn erin geslaagd om dit effect te benutten en het zo te ontwerpen dat alleen de golflengte die we hebben geselecteerd de juiste richting heeft om terug in de diode te komen, waardoor de laser alleen op die specifieke golflengte kan werken."

Om de golflengte te veranderen, de onderzoekers verplaatsen simpelweg het meta-oppervlak ten opzichte van de laserdiode.

"Het ontwerp is compacter en eenvoudiger dan bestaande lasers met instelbare golflengte, omdat er geen draaiend onderdeel voor nodig is, " zei Michele Tamagnene, voormalig postdoctoraal onderzoeker bij SEAS en co-auteur van het artikel.

De onderzoekers toonden ook aan dat de vorm van de laserstraal volledig kan worden gecontroleerd om een ​​complex hologram te projecteren - in dit geval het complexe, eeuwenoud Harvard-schild. Het team toonde ook het vermogen aan om het invallende licht te splitsen in drie onafhankelijke stralen, elk met verschillende eigenschappen:een conventionele balk, een optische vortex en een straal die bekend staat als een Bessel-straal, die eruitziet als een roos en in veel toepassingen wordt gebruikt, waaronder optische pincetten.

"Naast het besturen van elk type laser, dit vermogen om meerdere stralen parallel te genereren en onder willekeurige hoeken te richten, elk met een andere functie, zal vele toepassingen mogelijk maken, van wetenschappelijke instrumentatie tot augmented of virtual reality en holografie, ' zei Capasso.