La capacità di controllare con precisione le varie proprietà della luce laser è fondamentale per gran parte della tecnologia che usiamo oggi, dai visori commerciali per realtà virtuale (VR) all'imaging microscopico per la ricerca biomedica. Molti dei sistemi laser odierni si basano su dispositivi separati, componenti rotanti per controllare la lunghezza d'onda, forma e potenza di un raggio laser, rendendo questi dispositivi ingombranti e di difficile manutenzione.

Ora, i ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences hanno sviluppato un'unica metasuperficie in grado di regolare efficacemente le diverse proprietà della luce laser, compresa la lunghezza d'onda, senza la necessità di componenti ottici aggiuntivi. La metasuperficie può suddividere la luce in più fasci e controllarne la forma e l'intensità in modo indipendente, modo preciso ed efficiente dal punto di vista energetico.

La ricerca apre le porte a sistemi ottici leggeri ed efficienti per una vasta gamma di applicazioni, dal rilevamento quantistico ai visori VR/AR.

"Il nostro approccio apre la strada a nuovi metodi per ingegnerizzare l'emissione di sorgenti ottiche e controllare molteplici funzioni, come mettere a fuoco, ologrammi, polarizzazione, e sagomatura del raggio, in parallelo in un'unica metasuperficie, " disse Federico Capasso, il Robert L. Wallace Professor of Applied Physics e Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering presso SEAS e autore senior del documento.

La ricerca è stata pubblicata di recente in Comunicazioni sulla natura .

Il laser sintonizzabile ha solo due componenti:un diodo laser e una metasuperficie riflettente. A differenza delle precedenti metasuperfici, che si basava su una rete di singoli pilastri per controllare la luce, questa superficie utilizza le cosiddette supercelle, gruppi di pilastri che lavorano insieme per controllare diversi aspetti della luce.

Quando la luce del diodo colpisce le supercelle sulla metasuperficie, parte della luce viene riflessa indietro, creando una cavità laser tra il diodo e la metasuperficie. L'altra parte della luce viene riflessa in un secondo raggio indipendente dal primo.

"Quando la luce colpisce la metasuperficie, colori diversi vengono deviati in direzioni diverse, "ha detto Christina Spägele, uno studente laureato presso SEAS e primo autore del documento. "Siamo riusciti a sfruttare questo effetto e a progettarlo in modo che solo la lunghezza d'onda che abbiamo selezionato abbia la direzione corretta per rientrare nel diodo, consentendo al laser di funzionare solo a quella specifica lunghezza d'onda."

Per cambiare la lunghezza d'onda, i ricercatori spostano semplicemente la metasuperficie rispetto al diodo laser.

"Il design è più compatto e più semplice dei laser sintonizzabili in lunghezza d'onda esistenti, poiché non necessita di alcun componente rotante, " disse Michele Tamagnone, ex borsista post-dottorato presso SEAS e coautore del documento.

I ricercatori hanno anche dimostrato che la forma del raggio laser può essere completamente controllata per proiettare un ologramma complesso, in questo caso il complesso, scudo di Harvard secolare. Il team ha anche dimostrato la capacità di dividere la luce incidente in tre fasci indipendenti, ciascuno con proprietà diverse:un raggio convenzionale, un vortice ottico e un raggio noto come raggio di Bessel, che sembra un bersaglio e viene utilizzato in molte applicazioni, tra cui il tweezing ottico.

"Oltre a controllare qualsiasi tipo di laser, questa capacità di generare più raggi in parallelo e diretti ad angoli arbitrari, ognuno svolge una funzione diversa, consentirà molte applicazioni dalla strumentazione scientifica alla realtà aumentata o virtuale e all'olografia, " disse Capasso.