Un pointeur laser multicolore que vous pouvez utiliser pour changer la couleur du laser en cliquant sur un bouton, semblable à un stylo à bille multicolore, est un pas de plus vers la réalité grâce à un nouveau minuscule matériau synthétique fabriqué par Sandia National Laboratories.

Un pointeur laser flashy peut être amusant à imaginer, mais changer la couleur d'un laser a de nombreuses autres utilisations, allant de la découverte de sites archéologiques cachés dans des forêts denses et de la détection de signes de vie extraterrestre dans l'air à l'accélération et à l'augmentation potentielles de la capacité de communication longue distance via des réseaux de fibres optiques.

La recherche sur le nouveau métamatériau de mélange de lumière a été publiée dans Communication Nature plus tôt aujourd'hui. Le travail a été dirigé par le scientifique principal de Sandia, Igal Brener, avec des collaborateurs de l'Université Friedrich Schiller d'Iéna. L'article rapporte comment un métamatériau composé d'un réseau de nanocylindres a mélangé deux impulsions laser de lumière proche infrarouge pour produire 11 ondes de lumière dont la couleur varie du proche infrarouge, à travers les couleurs de l'arc-en-ciel, aux ultraviolets.

Un métamatériau est un matériau composé de minuscules, répéter des structures qui interagissent avec les ondes électromagnétiques d'une manière que les matériaux conventionnels ne peuvent pas. Les structures sont beaucoup plus petites que la longueur d'onde de la lumière qu'elles sont conçues pour manipuler. Ils ressemblent un peu aux structures naturelles qui donnent aux ailes de papillon bleu morpho leur irisation spectaculaire. Les ailes ont des écailles avec de minuscules structures répétitives, qui réfléchissent la lumière pour produire la couleur bleue.

Le métamatériau mélange la lumière pour produire 11 nouvelles longueurs d'onde

Pour ce mélangeur optique, le réseau de nanocylindres est en arséniure de gallium, un semi-conducteur utilisé dans de nombreux types d'électronique. Courbes à l'arséniure de gallium, ou réfracte, s'éclaire fortement, ce qui est essentiel pour ce genre de métamatériau, dit Brener. Chaque nanocylindre mesure environ 500 nanomètres de haut, soit 100 fois plus petit que la largeur d'un cheveu humain, avec un diamètre d'environ 400 nanomètres. Ils sont disposés en carré à environ 840 nanomètres les uns des autres.

Les façons actuelles de mélanger la lumière, tels que ceux utilisés pour les pointeurs laser verts, utiliser des cristaux spécialement conçus pour aligner parfaitement les ondes lumineuses pour permettre le mélange, dit Brener. C'est ce qu'on appelle l'accord de phase. En raison des règles physiques, chaque cristal ne peut correspondre efficacement aux phases d'une couleur de lumière entrante pour produire une couleur de lumière différente. Le métamatériau de Sandia fonctionne d'une manière complètement différente.

Au lieu, l'équipe a sélectionné deux lasers proche infrarouge avec des longueurs d'onde adaptées aux fréquences de résonance du métamatériau, ou les longueurs d'onde qui rebondissent le mieux à l'intérieur des nanocylindres, dit Polina Vabishchevich, une postdoctorante Sandia et premier auteur de l'article. La lumière de ces deux lasers—appelez-les fréquences A et B—se mélange pour produire 11 couleurs à partir de différents produits de mélange, y compris A+A, A+B, B+B, A+A+B, et A+B+B, parmi d'autres produits de mélange complexes.

"Avec ce petit appareil et deux impulsions laser, nous avons pu générer 11 nouvelles couleurs en même temps, ce qui est trop cool, " a déclaré Vabishchevich. "Nous n'avons pas besoin de changer d'angle ou de faire correspondre les phases."

Le métamélangeur optique a un potentiel pour des applications de recherche étendues

Le métamatériau a été fabriqué à l'aide de processus empruntés à la fabrication de dispositifs à semi-conducteurs. Cette fabrication a été réalisée dans plusieurs installations de Sandia, notamment Sandia's Microsystems Engineering, Les sciences, et Applications et le Centre de Nanotechnologies Intégrées, une installation d'utilisateurs de l'Office of Science du ministère de l'Énergie exploitée conjointement avec le Laboratoire national de Los Alamos.

"Si nous n'avions pas accès à l'instrumentation que nous avons chez Sandia, cette recherche aurait été impossible, " a déclaré Brener. " Sans le système laser femtoseconde spécialisé du CINT, il aurait été très difficile d'effectuer ces mesures. » Une femtoseconde correspond à un millionième de milliardième de seconde et les lasers femtoseconde produisent une lumière puissante.

Bien que l'efficacité de conversion du métamélangeur optique soit très faible - par exemple, la lumière rouge-orange résultante est très faible par rapport à la lumière entrante - Brener pense que l'efficacité peut être considérablement améliorée avec des travaux supplémentaires, peut-être en empilant plusieurs couches de métamatériau.

De nombreux types de recherches chimiques et biologiques, de l'utilisation de microscopes spécialisés pour étudier comment les maladies échappent au système immunitaire à l'étude de la chimie de la combustion pour améliorer l'efficacité des véhicules, nécessitent de la lumière à des longueurs d'onde spécifiques. Ce métamixeur optique pourrait convertir la lumière des lasers en une nouvelle longueur d'onde où un laser pourrait ne pas être disponible ou permettre aux chercheurs de passer d'une longueur d'onde à une autre sans avoir à acheter un laser différent, dit Brener.

Commutable, les lasers accordables pourraient également être utiles en biologie, recherche chimique et atmosphérique; télédétection; communication basée sur la fibre optique; même l'optique quantique.