Förmågan att exakt kontrollera laserljusets olika egenskaper är avgörande för mycket av den teknik som vi använder idag, från kommersiell virtuell verklighet (VR) headset till mikroskopisk bildbehandling för biomedicinsk forskning. Många av dagens lasersystem är beroende av separata, roterande komponenter för att kontrollera våglängden, form och kraft hos en laserstråle, gör dessa enheter skrymmande och svåra att underhålla.

Nu, forskare vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences har utvecklat en enda metayta som effektivt kan ställa in de olika egenskaperna hos laserljus, inklusive våglängd, utan behov av ytterligare optiska komponenter. Metaytan kan dela upp ljus i flera strålar och kontrollera deras form och intensitet på ett oberoende, exakt och energieffektivt sätt.

Forskningen öppnar dörren för lätta och effektiva optiska system för en rad applikationer, från kvantavkänning till VR/AR-headset.

"Vårt tillvägagångssätt banar väg för nya metoder för att konstruera emissionen av optiska källor och kontrollera flera funktioner, som att fokusera, hologram, polarisering, och strålformning, parallellt i en enda metayta, sa Federico Capasso, Robert L. Wallace professor i tillämpad fysik och Vinton Hayes seniorforskare i elektroteknik vid SEAS och senior författare till artikeln.

Forskningen publicerades nyligen i Naturkommunikation .

Den avstämbara lasern har bara två komponenter - en laserdiod och en reflekterande metayta. Till skillnad från tidigare metasytor, som förlitade sig på ett nätverk av individuella pelare för att styra ljus, denna yta använder så kallade superceller, grupper av pelare som arbetar tillsammans för att kontrollera olika aspekter av ljus.

När ljuset från dioden träffar supercellerna på metaytan, en del av ljuset reflekteras tillbaka, skapa en laserkavitet mellan dioden och metaytan. Den andra delen av ljuset reflekteras till en andra stråle som är oberoende av den första.

"När ljus träffar metaytan, olika färger böjs åt olika håll, sa Christina Spägele, en doktorand vid SEAS och första författare till tidningen. "Vi lyckades utnyttja den här effekten och designa den så att endast den våglängd som vi valt har rätt riktning för att komma tillbaka i dioden, gör det möjligt för lasern att endast arbeta vid den specifika våglängden."

För att ändra våglängden, forskarna flyttar helt enkelt metaytan i förhållande till laserdioden.

"Designen är mer kompakt och enklare än befintliga våglängdsjusterbara lasrar, eftersom det inte kräver någon roterande komponent, sa Michele Tamagne, tidigare postdoktor vid SEAS och medförfattare till uppsatsen.

Forskarna visade också att formen på laserstrålen kan kontrolleras helt för att projicera ett komplext hologram - i det här fallet komplexet, hundraårig Harvard-sköld. Teamet visade också förmågan att dela upp det infallande ljuset i tre oberoende strålar, var och en med olika egenskaper - en konventionell balk, en optisk virvel och en stråle känd som en Bessel-stråle, som ser ut som en bullseye och används i många applikationer inklusive optisk pincett.

"Förutom att kontrollera alla typer av laser, denna förmåga att generera flera strålar parallellt och riktade i godtyckliga vinklar, var och en implementerar en annan funktion, kommer att möjliggöra många tillämpningar från vetenskaplig instrumentering till förstärkt eller virtuell verklighet och holografi, sa Capasso.