(Phys.org) —Tillämpade fysiker vid Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har visat att de kan ändra intensiteten, fas, och polarisering av ljusstrålar med hjälp av en hologramliknande design dekorerad med nanoskala strukturer.

Som ett principbevis, forskarna har använt den för att skapa ett ovanligt ljus som kallas en radiellt polariserad stråle, vilket-eftersom det kan fokuseras mycket tätt-är viktigt för applikationer som högupplöst litografi och för att fånga och manipulera små partiklar som virus.

Det här är första gången en singel, enkel enhet har utformats för att styra dessa tre stora egenskaper hos ljus på en gång. (Fas beskriver hur två vågor stör för att antingen stärka eller avbryta varandra, beroende på hur deras toppar och tråg överlappar varandra; polarisering beskriver riktningen för ljusvibrationer; och intensiteten är ljusstyrkan.)

"Vårt labb arbetar med att använda nanoteknik för att leka med ljus, "säger Patrice Genevet, en forskningsassistent vid Harvard SEAS och medförfattare till ett papper publicerat denna månad i Nano bokstäver . "I denna forskning, vi har använt holografi på ett nytt sätt, som innehåller spetsk nanoteknik i form av subvåglängdsstrukturer i en skala på bara tiotals nanometer. "En nanometer motsvarar en miljarddels meter.

Genevet arbetar i laboratoriet för Federico Capasso, Robert L. Wallace Professor i tillämpad fysik och Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering vid Harvard SEAS. Capassos forskargrupp har under de senaste åren fokuserat på nanofotonik - manipulation av ljus i nanometerskalan - med målet att skapa nya ljusstrålar och specialeffekter som uppstår genom ljusets interaktion med nanostrukturerade material.

Med hjälp av dessa nya nanostrukturerade hologram, Harvard -forskarna har konverterat konventionella, cirkulärt polariserat laserljus i radiellt polariserade strålar vid våglängder som spänner över det tekniskt viktiga synliga och nära-infraröda ljusspektrumet.

"När ljuset är radiellt polariserat, dess elektromagnetiska vibrationer pendlar inåt och utåt från strålens mitt som ett hjuls ekrar, "förklarar Capasso." Denna ovanliga stråle visar sig som en mycket intensiv ljusring med en mörk fläck i mitten. "

"Det är anmärkningsvärt, "Capasso påpekar, "att samma nanostrukturerade holografiska platta kan användas för att skapa radiellt polariserat ljus vid så många olika våglängder. Radiellt polariserat ljus kan fokuseras mycket tätare än konventionellt polariserat ljus, vilket möjliggör många potentiella applikationer inom mikroskopi och nanopartikelmanipulation. "

Den nya enheten liknar ett normalt hologramgaller med ytterligare, nanostrukturerat mönster hugget in i det. Synligt ljus, som har en våglängd i hundratals nanometer, interagerar annorlunda med bländare som är strukturerade på 'nano' -skalan än med dem på skalan av mikrometer eller större. Genom att utnyttja dessa beteenden, det modulära gränssnittet kan böja inkommande ljus för att justera dess intensitet, fas, och polarisering.

Hologram, bortom att vara en häftklammer i science-fiction-universum, hitta många applikationer inom säkerhet, som de holografiska panelerna på kreditkort och pass, och nya digitala hologrambaserade datalagringsmetoder utformas för närvarande för att eventuellt ersätta nuvarande system. Att uppnå finjusterad kontroll av ljus är avgörande för att utveckla denna teknik.

"Nu, du kan styra allt du behöver med bara ett enda gränssnitt, säger Genevet, påpekar att den polariseringseffekt som det nya gränssnittet har på ljuset tidigare endast kunde uppnås genom en kaskad av flera olika optiska element. "Vi får en stor fördel när det gäller att spara utrymme."

Demonstrationen av detta nanostrukturerade hologram har blivit möjlig först nyligen med utvecklingen av kraftfullare programvara och nanofabriceringstekniker med högre upplösning.

Den underliggande designen är mer komplex än en enkel överlagring av nanostrukturer på hologrammet. Ljusets fas och polarisering samverkar nära, så strukturerna måste utformas med tanke på båda resultaten, med moderna beräkningsverktyg.

Ytterligare forskning kommer att syfta till att göra mer komplexa polariserade hologram och att optimera enhetens uteffektivitet.