En flerfärgad laserpekare som du kan använda för att ändra laserns färg med ett knapptryck - liknande en flerfärgad kulspetspenna - är ett steg närmare verkligheten tack vare ett nytt litet syntetmaterial tillverkat på Sandia National Laboratories.

En prickig laserpekare kan vara kul att föreställa sig, men att byta färg på en laser har många andra användningsområden, från att upptäcka gömda arkeologiska platser i täta skogar och upptäcka tecken på utomjordiskt liv i luften för att eventuellt påskynda och öka kapaciteten för fjärrkommunikation via fiberoptiska nät.

Forskning om det nya lättblandande metamaterialet publicerades i Naturkommunikation tidigare idag. Arbetet leddes av Sandia Senior Scientist Igal Brener tillsammans med medarbetare vid Friedrich Schiller University Jena. Papperet rapporterar hur ett metamaterial som består av en rad nanocylindrar blandade två laserpulser med nära infrarött ljus för att producera 11 vågor av ljus som varierar i färg från det nära infraröda, genom regnbågens färger, till ultraviolett.

Ett metamaterial är ett material som består av små, upprepande strukturer som interagerar med elektromagnetiska vågor på sätt som konventionella material inte kan. Strukturerna är mycket mindre än ljusets våglängd de är utformade för att manipulera. De liknar något de naturliga strukturerna som ger blå morfofjärilvingar sin spektakulära iriserande. Vingarna har skalor med små upprepande strukturer, som reflekterar ljus för att producera den blå färgen.

Metamaterial blandar ljus för att producera 11 nya våglängder

För denna optiska mixer, utbudet av nanocylindrar är gjorda av galliumarsenid, en halvledare som används i många typer av elektronik. Gallium arsenid böjer, eller bryts, tänd starkt, som är avgörande för denna typ av metamaterial, sa Brener. Varje nanocylinder är cirka 500 nanometer hög - eller 100 gånger mindre än människohårets bredd - med en diameter på cirka 400 nanometer. De läggs ut i ett fyrkantigt mönster cirka 840 nanometer från varandra.

Nuvarande sätt att blanda ljus, som de som används för gröna laserpekare, använd specialtillverkade kristaller för att perfekt anpassa ljusvågorna för att möjliggöra blandning, sa Brener. Detta kallas fasmatchning. På grund av fysiska regler, varje kristall kan bara effektivt matcha faserna i en färg av inkommande ljus för att producera en annan ljusfärg. Sandias metamaterial fungerar på ett helt annat sätt.

Istället, laget valde två nära infraröda lasrar med våglängder anpassade till metamaterialets resonansfrekvenser, eller våglängderna som studsar inuti nanocylindrarna bäst, sa Polina Vabishchevich, en Sandia postdoktor och första författare på tidningen. Ljuset från dessa två lasrar - kallar dem frekvenser A och B - blandas för att producera 11 färger från olika blandningsprodukter inklusive A+A, A+B, B+B, A+A+B, och A+B+B, bland andra komplexa blandningsprodukter.

"Med den här lilla enheten och två laserpulser kunde vi generera 11 nya färger samtidigt, vilket är så coolt, "sa Vabishchevich." Vi behöver inte ändra vinklar eller matcha faser. "

Optisk metamixer har potential för utbredda forskningsapplikationer

Metamaterialet tillverkades med hjälp av processer som lånats från tillverkning av halvledare. Denna tillverkning genomfördes på flera Sandia -anläggningar, inklusive Sandias Microsystems Engineering, Vetenskaper, och applikationskomplex och Center for Integrated Nanotechnologies, en Department of Energy Office of Science användaranläggning som drivs tillsammans med Los Alamos National Laboratory.

"Om vi ​​inte hade tillgång till den instrumentering vi har på Sandia, denna forskning skulle ha varit omöjlig, "sa Brener." Utan CINTs specialiserade femtosekundlasersystem, det hade varit mycket utmanande att utföra dessa mätningar. "En femtosekund är en miljonedel av en miljarddel av en sekund och femtosekundlasrar producerar kraftfullt ljus.

Även om konverteringseffektiviteten för den optiska metamixern är mycket låg-till exempel är det resulterande rödorange ljuset mycket svagt jämfört med det inkommande ljuset-menar Brener att effektiviteten kan förbättras avsevärt med ytterligare arbete, kanske genom att stapla flera lager av metamaterial.

Många olika typer av kemisk och biologisk forskning, från att använda specialiserade mikroskop för att studera hur sjukdomar undviker immunsystemet till att studera förbränningens kemi för att förbättra fordonets effektivitet, kräver ljus vid specifika våglängder. Denna optiska metamixer kan omvandla ljus från lasrar till en ny våglängd där en laser kanske inte är tillgänglig eller låta forskare byta från en våglängd till en annan utan att behöva köpa en annan laser, sa Brener.

Växlingsbar, avstämbara lasrar kan också vara användbara i biologiska, kemisk och atmosfärisk forskning; fjärranalys; fiberoptisk baserad kommunikation; även kvantoptik.