Le schéma montre une nouvelle technique pour remodeler les propriétés d'une impulsion lumineuse ultrarapide. Une impulsion lumineuse entrante (à gauche) est dispersée dans ses différentes fréquences constitutives, ou couleurs, et dirigé dans une métasurface composée de millions de minuscules piliers de silicium et d'un polariseur intégré. Les nanopiliers sont spécifiquement conçus pour façonner simultanément et indépendamment des propriétés de chaque composante de fréquence telles que son amplitude, phase ou polarisation. Le faisceau transmis est ensuite recombiné pour obtenir une nouvelle impulsion de forme modifiée (à droite). Crédit :S. Kelley/NIST
Imaginez être capable de façonner une impulsion de lumière de n'importe quelle manière imaginable - en la comprimant, l'étirer, le diviser en deux, changer son intensité ou modifier la direction de son champ électrique.
Le contrôle des propriétés des impulsions lumineuses ultrarapides est essentiel pour envoyer des informations via des circuits optiques à grande vitesse et pour sonder les atomes et les molécules qui vibrent des milliers de milliards de fois par seconde. Mais la méthode standard de mise en forme d'impulsions - utilisant des dispositifs appelés modulateurs spatiaux de lumière - est coûteuse, volumineux et manque du contrôle fin dont les scientifiques ont de plus en plus besoin. En outre, ces dispositifs sont généralement basés sur des cristaux liquides qui peuvent être endommagés par les mêmes impulsions de lumière laser à haute intensité pour lesquelles ils ont été conçus.
Aujourd'hui, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) et du NanoCenter de l'Université du Maryland à College Park ont développé une nouvelle méthode compacte de sculpture de la lumière. Ils ont d'abord déposé une couche de silicium ultrafin sur du verre, quelques centaines de nanomètres (milliardièmes de mètre) d'épaisseur, puis recouvert un ensemble de millions de minuscules carrés de silicium avec un matériau protecteur. En gravant le silicium entourant chaque carré, l'équipe a créé des millions de minuscules piliers, qui a joué un rôle clé dans la technique de sculpture légère.
L'appartement, dispositif ultrafin est un exemple de métasurface, qui est utilisé pour modifier les propriétés d'une onde lumineuse qui la traverse. En concevant soigneusement la forme, Taille, densité et distribution des nanopiliers, les propriétés multiples de chaque impulsion lumineuse peuvent désormais être adaptées simultanément et indépendamment avec une précision à l'échelle nanométrique. Ces propriétés comprennent l'amplitude, phase et polarisation de l'onde.
Une onde lumineuse, un ensemble de champs électriques et magnétiques oscillants orientés perpendiculairement les uns aux autres, a des pics et des creux semblables à une vague océanique. Si vous êtes debout dans l'océan, la fréquence de la vague est la fréquence à laquelle les pics ou les creux passent devant vous, l'amplitude est la hauteur des vagues (du creux au pic), et la phase est l'endroit où vous vous trouvez par rapport aux pics et aux creux.
"Nous avons découvert comment manipuler indépendamment et simultanément la phase et l'amplitude de chaque composante de fréquence d'une impulsion laser ultrarapide, " a déclaré Amit Agrawal, du NIST et du NanoCenter. « Pour y parvenir, nous avons utilisé des ensembles soigneusement conçus de nanopiliers en silicium, un pour chaque couleur constitutive du pouls, et un polariseur intégré fabriqué à l'arrière de l'appareil."
Lorsqu'une onde lumineuse traverse un ensemble de nanopiliers de silicium, la vague ralentit par rapport à sa vitesse dans l'air et sa phase est retardée - le moment où la vague atteint son prochain pic est légèrement plus tard que le moment où la vague aurait atteint son prochain pic dans l'air. La taille des nanopiliers détermine la quantité de changement de phase, alors que l'orientation des nanopiliers modifie la polarisation de l'onde lumineuse. Lorsqu'un dispositif appelé polariseur est fixé à l'arrière du silicium, le changement de polarisation peut être traduit en un changement correspondant d'amplitude.
Un schéma plus détaillé de la configuration de mise en forme d'impulsion. Une impulsion lumineuse entrante (à gauche) diffracte un réseau, qui disperse l'impulsion dans ses différentes fréquences, ou couleurs. Un miroir parabolique redirige ensuite la lumière dispersée vers une surface de silicium gravée de millions de minuscules piliers. Les nanopiliers sont spécifiquement conçus pour façonner simultanément et indépendamment des propriétés de chaque composante de fréquence telles que son amplitude, phase ou polarisation. Un deuxième miroir parabolique et un réseau de diffraction recombinent ensuite les composants séparés en une impulsion nouvellement formée (à droite). Crédit :T. Xu/Université de Nanjing
Modification de la phase, l'amplitude ou la polarisation d'une onde lumineuse d'une manière hautement contrôlée peut être utilisée pour coder des informations. Le rapide, des changements finement réglés peuvent également être utilisés pour étudier et modifier le résultat de processus chimiques ou biologiques. Par exemple, les altérations d'une impulsion lumineuse entrante pourraient augmenter ou diminuer le produit d'une réaction chimique. De ces manières, la méthode nanopillar promet d'ouvrir de nouvelles perspectives dans l'étude du phénomène ultrarapide et de la communication à grande vitesse.
Agrawal, avec Henri Lezec du NIST et leurs collaborateurs, décrire les résultats en ligne aujourd'hui dans le journal Science .
"Nous voulions étendre l'impact des métasurfaces au-delà de leur application typique - en changeant la forme d'un front d'onde optique dans l'espace - et les utiliser à la place pour changer la façon dont l'impulsion lumineuse varie dans le temps, " dit Lezec.
Une impulsion lumineuse laser ultrarapide typique ne dure que quelques femtosecondes, ou un millième de billionième de seconde, trop court pour qu'un appareil quelconque façonne la lumière à un instant particulier. Au lieu, Agrawal, Lezec et leurs collègues ont conçu une stratégie pour façonner les composants de fréquence individuels ou les couleurs qui composent l'impulsion en séparant d'abord la lumière en ces composants avec un dispositif optique appelé réseau de diffraction.
Chaque couleur a une intensité ou une amplitude différente, de la même manière qu'une harmonique musicale est composée de nombreuses notes individuelles ayant des volumes différents. Lorsqu'il est dirigé vers la surface de silicium gravée par nanopiliers, différentes composantes de fréquence ont heurté différents ensembles de nanopiliers. Chaque ensemble de nanopiliers a été conçu pour modifier la phase, l'intensité ou l'orientation du champ électrique (polarisation) des composants d'une manière particulière. Un deuxième réseau de diffraction a ensuite recombiné tous les composants pour créer l'impulsion nouvellement formée.
Les chercheurs ont conçu leur système de nanopiliers pour fonctionner avec des impulsions lumineuses ultrarapides (10 femtosecondes ou moins, équivalent à un centième de billionième de seconde) composé d'une large gamme de composantes de fréquence qui couvrent des longueurs d'onde allant de 700 nanomètres (lumière rouge visible) à 900 nanomètres (proche infrarouge). En modifiant simultanément et indépendamment l'amplitude et la phase de ces composantes fréquentielles, les scientifiques ont démontré que leur méthode pouvait compresser, diviser et déformer les impulsions de manière contrôlable.
D'autres améliorations apportées à l'appareil donneront aux scientifiques un contrôle supplémentaire sur l'évolution temporelle des impulsions lumineuses et pourraient leur permettre de façonner avec des détails exquis des lignes individuelles dans un peigne de fréquence, un outil précis pour mesurer les fréquences de la lumière utilisées dans des appareils tels que les horloges atomiques et pour identifier les planètes autour d'étoiles lointaines.
