La forme du faisceau laser peut être entièrement contrôlée pour projeter un hologramme complexe, comme celui ci-dessus. Crédit :Christina Spägele/Harvard SEAS
La capacité de contrôler avec précision les diverses propriétés de la lumière laser est essentielle à une grande partie de la technologie que nous utilisons aujourd'hui, des casques commerciaux de réalité virtuelle (VR) à l'imagerie microscopique pour la recherche biomédicale. De nombreux systèmes laser d'aujourd'hui reposent sur des composants rotatifs pour contrôler la longueur d'onde, forme et puissance d'un faisceau laser, rendant ces appareils encombrants et difficiles à entretenir.
Maintenant, des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences ont développé une métasurface unique qui peut régler efficacement les différentes propriétés de la lumière laser, y compris la longueur d'onde, sans avoir besoin de composants optiques supplémentaires. La métasurface peut diviser la lumière en plusieurs faisceaux et contrôler leur forme et leur intensité de manière indépendante, manière précise et économe en énergie.
La recherche ouvre la porte à des systèmes optiques légers et efficaces pour une gamme d'applications, de la détection quantique aux casques VR/AR.
"Notre approche ouvre la voie à de nouvelles méthodes pour concevoir l'émission de sources optiques et contrôler de multiples fonctions, comme la mise au point, hologrammes, polarisation, et la mise en forme du faisceau, en parallèle dans une seule métasurface, " a déclaré Federico Capasso, le professeur Robert L. Wallace de physique appliquée et Vinton Hayes chercheur principal en génie électrique à SEAS et auteur principal de l'article.
La recherche a été publiée récemment dans Communication Nature .
Le laser accordable n'a que deux composants :une diode laser et une métasurface réfléchissante. Contrairement aux métasurfaces précédentes, qui s'appuyait sur un réseau de piliers individuels pour contrôler la lumière, cette surface utilise des supercellules, groupes de piliers qui travaillent ensemble pour contrôler différents aspects de la lumière.
La lumière incidente peut être divisée en trois faisceaux indépendants, chacun avec des propriétés différentes - une poutre conventionnelle (à droite), un faisceau connu sous le nom de faisceau de Bessel (au centre) et un vortex optique (à gauche). Crédit :Christina Spägele/Harvard SEAS
Lorsque la lumière de la diode frappe les supercellules de la métasurface, une partie de la lumière est réfléchie, créer une cavité laser entre la diode et la métasurface. L'autre partie de la lumière est réfléchie dans un deuxième faisceau indépendant du premier.
"Quand la lumière frappe la métasurface, différentes couleurs sont déviées dans différentes directions, " a déclaré Christina Spägele, un étudiant diplômé à SEAS et premier auteur de l'article. "Nous avons réussi à exploiter cet effet et à le concevoir de manière à ce que seule la longueur d'onde que nous avons sélectionnée ait la bonne direction pour rentrer dans la diode, permettant au laser de fonctionner uniquement à cette longueur d'onde spécifique."
Pour changer la longueur d'onde, les chercheurs déplacent simplement la métasurface par rapport à la diode laser.
"La conception est plus compacte et plus simple que les lasers accordables en longueur d'onde existants, puisqu'il ne nécessite aucun composant rotatif, " a déclaré Michèle Tamagnone, ancien boursier postdoctoral à SEAS et co-auteur de l'article.
Les chercheurs ont également montré que la forme du faisceau laser peut être entièrement contrôlée pour projeter un hologramme complexe, dans ce cas le complexe, bouclier de Harvard centenaire. L'équipe a également démontré la capacité de diviser la lumière incidente en trois faisceaux indépendants, chacun avec des propriétés différentes - une poutre conventionnelle, un vortex optique et un faisceau dit de Bessel, qui ressemble à une cible et est utilisé dans de nombreuses applications, y compris la pince à épiler optique.
« En plus de contrôler tout type de laser, cette capacité à générer plusieurs faisceaux en parallèle et dirigés selon des angles arbitraires, chacun mettant en œuvre une fonction différente, permettra de nombreuses applications allant de l'instrumentation scientifique à la réalité augmentée ou virtuelle et à l'holographie, " dit Capasso.
