哈佛大學(xué)的研究人員引入了一個(gè)簡(jiǎn)單的超材料，可以有效的調(diào)制激光光束的不同性質(zhì)，包括波長(zhǎng)，而不需要額外的光學(xué)組件。這一超材料可以將激光束分解成幾個(gè)不同的光束并能獨(dú)立的實(shí)現(xiàn)控制他們的形狀和強(qiáng)度，且可以實(shí)現(xiàn)精確和能量有效的途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。

精確的控制激光束的不同性質(zhì)對(duì)生物醫(yī)學(xué)研究中的虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴設(shè)備到微觀影像來(lái)說(shuō)都是非常重要的設(shè)備。許多當(dāng)前的激光系統(tǒng)依靠獨(dú)立的、旋轉(zhuǎn)的部件來(lái)控制激光束的波長(zhǎng)、形狀和能量大小，使得控制裝置的體積非常龐大和難以進(jìn)行控制和操作。

圖1 超晶細(xì)胞超材料的概念圖

來(lái)自哈佛大學(xué)的研究人員所取得的新的研究進(jìn)展為包括量子傳感和AR/VR 頭戴裝置的大范圍的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)輕便和有效的應(yīng)用打開了一扇大門。

圖2 入射光可以被分解成三個(gè)不同的獨(dú)立的光束，每一光束具有不同的性質(zhì)，右邊的為一個(gè)傳統(tǒng)意義上的激光束，中間為貝賽爾光束（Bessel beam），左邊則為光學(xué)渦旋（(Optical Vortices)是一種具有螺旋型波前結(jié)構(gòu)和確定的光子軌道角動(dòng)量的特殊光場(chǎng)））

我們目前研發(fā)的這一辦法為光學(xué)源的發(fā)射的工程應(yīng)用和控制多個(gè)功能的光束，如聚焦、全息圖、偏振和光束整形在一個(gè)單一的超材料表面進(jìn)行控制鋪平了道路，F(xiàn)ederico Capasso說(shuō)道，他是SEAS的電子工程系的高級(jí)研究院和應(yīng)用物理及Viton Hays的 Robert L. Wallace教授以及該論文的高級(jí)作者。

可以調(diào)制的激光束主要由兩部分所組成：一個(gè)激光半導(dǎo)體和一個(gè)反射的超材料。不像以前的超材料，主要依靠單獨(dú)的棱柱的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)控制光，當(dāng)前的工作是該超材料使用一個(gè)稱之為超晶細(xì)胞——一組棱柱一起工作來(lái)控制光的不同方面。

當(dāng)光從半導(dǎo)體材料進(jìn)入到超材料的超晶細(xì)胞時(shí)，光的一部分被反射回去，在半導(dǎo)體和超材料之間創(chuàng)造出激光空腔。光的其他部分則反射進(jìn)入到一個(gè)二次光束中，該二次光束在第一次的時(shí)候是獨(dú)立的。

當(dāng)光擊中超材料的時(shí)候，不同衍射的光偏斜到不同的方向， Christina Spgele說(shuō)道，他是SEAS的研究生和該論文的第一作者，我們可以很好的控制這一效應(yīng)和設(shè)計(jì)它，使得它只是我們所選擇的波長(zhǎng)和以正確的方向進(jìn)入半導(dǎo)體，使得激光的運(yùn)行只在特定的波長(zhǎng)下進(jìn)行。

為了改變激光波長(zhǎng)，研究人員將超材料相對(duì)半導(dǎo)體改變方向即可。

這一設(shè)計(jì)變得結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單和緊湊，是當(dāng)前現(xiàn)存的最為方便調(diào)制波長(zhǎng)的激光，這是因?yàn)樗恍枰魏慰尚D(zhuǎn)的組件，Michele Tamagnone說(shuō)道，他是SEAS的博士后研究人員和該論文的共同作者。

該研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步的證實(shí)了激光束的形狀可以完全實(shí)現(xiàn)控制來(lái)投射出復(fù)雜的全息圖以及它具有將光分解成三個(gè)不同的激光束的能力，每一激光束具有獨(dú)立的性質(zhì)：一個(gè)傳統(tǒng)的激光束，一個(gè)光學(xué)渦旋和一個(gè)貝塞爾激光束，這看起來(lái)就像靶心，并且可以應(yīng)用在諸如光學(xué)光鑷的場(chǎng)合。

除了可以控制任何類型的激光之外，這一能力還可以產(chǎn)生多個(gè)平行的和在任意角度的直接的光束，每一光束可以具有獨(dú)立的性質(zhì)，這將促使該技術(shù)在科學(xué)研究?jī)x器和虛擬現(xiàn)實(shí)和全息上具有重要的應(yīng)用，Capasso說(shuō)道。

圖3 具有全息輸出激光束的超材料外部強(qiáng)激光（metasurface external cavity laser (MECL)）

該論文以題目“Multifunctional wide-angle optics and lasing based on supercell metasurfaces”發(fā)表在頂刊

文章來(lái)源：Spgele, C., Tamagnone, M., Kazakov, D. et al. Multifunctional wide-angle optics and lasing based on supercell metasurfaces. Nat Commun 12, 3787 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-24071-2