Dokonując przełomu w dziedzinie nanofotoniki i ultraszybkiej optyki, zespół badawczy Sandia National Laboratories wykazał zdolność do dynamicznego sterowania impulsami światła z konwencjonalnych, tak zwanych niespójnych źródeł światła.
Ta zdolność do kontrolowania światła za pomocą urządzenia półprzewodnikowego może pozwolić relatywnie niedrogim źródłom o niskiej mocy, takim jak diody LED lub żarówki latarki, zastąpić mocniejsze wiązki laserowe w nowych technologiach, takich jak hologramy, teledetekcja, samojezdne samochody i szybka komunikacja.
„To, co zrobiliśmy, to pokazanie, że można sterować wiązką niespójnego światła” – powiedział Prasad Iyer, naukowiec Sandia i główny autor badań, które zostały opisane w bieżącym numerze czasopisma Nature Photonics. Prace zostały sfinansowane przez Biuro Naukowe Departamentu Energii.
Niespójne światło jest emitowane przez wiele powszechnych źródeł, takich jak staroświecka żarówka lub żarówka LED. Światło to nazywane jest niespójnym, ponieważ fotony są emitowane z różnymi długościami fal iw przypadkowy sposób. Jednak wiązka światła z lasera nie rozprzestrzenia się i nie rozprasza, ponieważ fotony mają tę samą częstotliwość i fazę, a zatem nazywa się to światłem spójnym.
W swoich badaniach zespół manipulował niespójnym światłem, używając sztucznie ustrukturyzowanych materiałów zwanych metapowierzchniami, wykonanych z maleńkich cegiełek półprzewodników zwanych metaatomami, które można zaprojektować tak, aby bardzo skutecznie odbijały światło. Chociaż metapowierzchnie okazywały się wcześniej obiecujące w tworzeniu urządzeń, które mogłyby kierować promienie światła pod dowolnymi kątami, stanowiły również wyzwanie, ponieważ zostały zaprojektowane tylko dla koherentnych źródeł światła. Idealnie byłoby, gdyby ktoś chciał mieć urządzenie półprzewodnikowe, które może emitować światło jak dioda LED, sterować emisją światła pod zadanym kątem poprzez przyłożenie napięcia sterującego i zmieniać kąt skrętu z największą możliwą prędkością.
Naukowcy rozpoczęli od półprzewodnikowej metapowierzchni, w której osadzono maleńkie źródła światła zwane kropkami kwantowymi. Używając kontrolnego impulsu optycznego, byli w stanie zmienić lub rekonfigurować sposób, w jaki powierzchnia odbija światło i sterować falami świetlnymi emitowanymi z kropek kwantowych w różnych kierunkach w zakresie 70 stopni za mniej niż jedną bilionową -drugi, oznaczający znaczący sukces. Podobnie jak w przypadku sterowania laserowego, sterowana wiązka ograniczała tendencję niespójnego światła do rozprzestrzeniania się pod szerszym kątem widzenia i zamiast tego wytwarzała jasne światło na odległość.
Oswajanie światła
Wyczyn, który wcześniej uważano za niemożliwy, praca zespołu polegająca na weryfikacji zasad toruje drogę do rozwoju w dziedzinie nanofotoniki i ultraszybkiej optyki. Możliwość dynamicznego sterowania niespójnymi źródłami światła i manipulowania ich właściwościami oferuje szeroki zakres zastosowań.
Jednym z zastosowań o niskim zużyciu energii byłoby rozjaśnienie ekranów hełmów wojskowych używanych do nakładania map lub planów na zwykłe widzenie. „W zastosowaniach, w których przestrzeń jest cenna”, powiedział Iyer, „sterowanie emisją światła za pomocą wyświetlaczy LED o małej powierzchni i wadze może być możliwe w przyszłości dzięki tej technologii. Możemy lepiej wykorzystać emitowane światło, zamiast niż tylko ich wyłączanie i włączanie”.
Technika ta może również zapewnić nowy rodzaj małego wyświetlacza, który może wyświetlać obrazy holograficzne na gałkach ocznych za pomocą diod LED o niskim poborze mocy, co jest szczególnie interesujące dla urządzeń rzeczywistości rozszerzonej i wirtualnej. Inne zastosowania mogą dotyczyć samochodów samojezdnych, w których LIDAR jest używany do wykrywania obiektów na ścieżce samochodu.
Jeśli chodzi o wyrażenia zainteresowania, zespół otrzymał kilka zapytań ze źródeł komercyjnych, powiedział badacz Sandia Igal Brener, autor artykułu i główny naukowiec projektu. “Produkt komercyjny może powstać za 5-10 lat, zwłaszcza jeśli chcemy mieć całą funkcjonalność na chipie” – powiedział Brener. „Nie użyłbyś kontrolnego impulsu optycznego do nadawania zmian w metapowierzchni potrzebnych do sterowania światłem, ale raczej zrobiłbyś to sterowanie elektrycznie. Mamy pomysły i plany, ale jest jeszcze wcześnie. Wyobraź sobie żarówkę LED, która może emitować światło, które podąża za tobą. Wtedy nie marnowałbyś całego tego oświetlenia tam, gdzie nikogo nie ma. Jest to jedno z wielu zastosowań, o których marzyliśmy z DOE wiele lat temu, na przykład w zakresie efektywności energetycznej oświetlenia biurowego.
Podobnie oswojone światło może pewnego dnia przynieść korzyści w scenariuszach, w których skupione oświetlenie jest potrzebne tylko w określonym obszarze zainteresowania, takim jak chirurgia lub w pojazdach autonomicznych.
W przypadku światła niespójnego przyszłość rysuje się w jasnych barwach.
Sandia National Laboratories to wielozadaniowe laboratorium obsługiwane przez National Technology and Engineering Solutions firmy Sandia LLC, spółkę zależną w całości należącą do Honeywell International Inc., dla Narodowej Administracji Bezpieczeństwa Jądrowego Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych. Sandia Labs ma główne obowiązki badawczo-rozwojowe w zakresie odstraszania nuklearnego, globalnego bezpieczeństwa, obrony, technologii energetycznych i konkurencyjności gospodarczej, z głównymi obiektami w Albuquerque w Nowym Meksyku i Livermore w Kalifornii.