哈佛大學(xué)研發(fā)超晶胞超表面可用于光學(xué)傳感

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，哈佛大學(xué)John A. Paulson工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種能調(diào)整激光各種特征參數(shù)的超表面，且無需額外的光學(xué)元件。

超表面是以亞波長(zhǎng)間隔的納米結(jié)構(gòu)陣列，可以操縱光的振幅、相位和偏振，實(shí)現(xiàn)3D微光學(xué)元件無法完成的各種光學(xué)功能。但當(dāng)需要以較大偏轉(zhuǎn)角度完成多個(gè)功能時(shí)，性能和效率則表現(xiàn)出局限性，這是因?yàn)闆]有充分考慮納米結(jié)構(gòu)之間的光學(xué)耦合導(dǎo)致的非局部相互作用。哈佛大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出一種基于超晶胞超表面(supercell metasurfaces，簡(jiǎn)稱：SCMS)的方法，以高效率、任意大偏轉(zhuǎn)角度展示了多項(xiàng)獨(dú)立光學(xué)功能。

多功能超表面的兩種最簡(jiǎn)單方法(圖1a、1b)基于使用局部亞波長(zhǎng)單元晶胞(圖1c)——旨在將局部相位或偏振分布通過晶胞傳遞給光的傳播。在最簡(jiǎn)單的情況下，可以準(zhǔn)備單元晶胞庫來更改晶胞的某些物理參數(shù)并模擬其傳輸階段(圖1d)。當(dāng)超晶胞周期性重復(fù)時(shí)，器件表現(xiàn)為光柵(稱為“超光柵”，metagrating)，將光分成多個(gè)衍射級(jí)。通常，超光柵的功能是在一個(gè)選定的衍射級(jí)將所有光發(fā)射為對(duì)應(yīng)的偏轉(zhuǎn)角度，角度取決于超晶胞的周期(大小)(圖1e)。研究人員展示了基于超晶胞庫的超晶胞超表面，以便實(shí)現(xiàn)大偏轉(zhuǎn)角度的多種功能，且不會(huì)損失效率(圖1f)。

圖1 超晶胞超表面概念

多光束超晶胞超表面

該論文展示了超晶胞超表面將準(zhǔn)直后的偏振光束(即在52°的大角度下)分成三束獨(dú)立光束且角度差異很大(圖2a)。具體來說，零級(jí)仍然是高斯光束，一級(jí)被彎曲成52°，整形成貝塞爾光束，二級(jí)聚焦于104°并同時(shí)傳遞軌道角動(dòng)量(OAM)，在焦點(diǎn)中創(chuàng)建奇點(diǎn)。

圖2 多功能光束整形超晶胞超表面(SCMS)

基于超表面的外腔激光器

研究人員演示了波長(zhǎng)可調(diào)超表面外腔激光器(MECL)。超晶胞超表面反射器設(shè)計(jì)克服了常用外腔激光器架構(gòu)的缺點(diǎn)。雖然超表面已被用作內(nèi)腔器件，以獲得軌道角動(dòng)量激光或改變固態(tài)激光器的發(fā)射方向，或作為增益介質(zhì)，尚未考慮用于外部激光腔。研究人員試圖將超表面反射器與二極管激光源傾斜，將激光產(chǎn)生的偏振光分成兩束，并實(shí)現(xiàn)兩種獨(dú)立的光學(xué)功能：一束光束聚焦在激光二極管的表面，提供腔反饋并開啟激光器工作;另一束光束是輸出光束，可以被進(jìn)行任意準(zhǔn)直或整形，這是通過標(biāo)準(zhǔn)超表面或外腔設(shè)計(jì)無法實(shí)現(xiàn)的功能。在不改變輸出光束方向的情況下，通過移動(dòng)激光二極管的超晶胞超表面反射器來控制激光波長(zhǎng)。

圖3 基于超晶胞超表面的外腔激光器

自由曲面全息輸出激光器

最后，研究人員演示了一個(gè)能產(chǎn)生任意全息輸出的器件，且不會(huì)影響聚焦回激光端面的光(圖4a)。這也作為對(duì)每個(gè)衍射級(jí)獨(dú)立相控的演示。

圖4 帶全息輸出光束的超晶胞超表面外腔激光器

“我們的方法為設(shè)計(jì)光源發(fā)射和控制多個(gè)功能的新方法鋪平了道路?！惫鸫髮W(xué)Robert L. Wallace應(yīng)用物理學(xué)教授、SEAS電子工程Vinton Hayes高級(jí)研究員、該論文作者Federico Capasso談到，“除了控制任何類型的激光器，以任意角度平行產(chǎn)生多束光束的能力，每個(gè)光束實(shí)現(xiàn)不同功能，這將使從科學(xué)儀器到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)(AR & VR)、全息應(yīng)用成為可能?！?/p>