Ученые из Центра перспективных научных исследований CUNY создали революционный метаповерхностный чип, который преобразует невидимый инфракрасный свет в видимый и точно направляет его без каких-либо движущихся частей. Этот ультратонкий чип покрыт наноструктурами, размеры которых меньше длины волны света. Когда на него попадает инфракрасный лазерный луч, устройство меняет частоту света и излучает его в виде сфокусированного пучка, причем направление луча можно регулировать простым изменением поляризации входящего света.
В лабораторных испытаниях исследователи успешно преобразовали инфракрасный свет длиной волны 1530 нанометров (обычно используемый в волоконной оптике) в видимый зеленый свет около 510 нанометров. Они также достигли высокой точности управления направлением исходящего луча. Технология преодолевает давнюю инженерную проблему проектирования метаповерхностей, где обычно приходилось жертвовать либо контролем над лучом, либо эффективностью преобразования.
Новое устройство использует коллективный резонанс, называемый квази-связанным состоянием в континууме (QBIC), чтобы захватывать и усиливать входящий инфракрасный свет по всей поверхности чипа. QBIC — это резонансное состояние в фотонной структуре, которое имеет крайне низкую, но ненулевую вероятность излучения в окружающее пространство. Такие состояния, реализуемые на практике путем легкого нарушения симметрии системы, позволяют создавать резонаторы с очень высокой добротностью, что критически важно для эффективного удержания и усиления света в устройствах наномасштаба. Одновременно каждая наноструктура повернута по специальной схеме, что позволяет исходящему свету приобретать зависящую от положения фазу, подобно встроенной линзе или призме. Это позволяет генерировать свет третьей гармоники с утроенной частотой и управлять его направлением.
Эффективность преобразования сигнала третьей гармоники в новом устройстве примерно в 100 раз выше, чем у аналогичных систем без коллективных резонансов. Простое изменение поляризации входящего луча меняет направление излучения, обеспечивая простой и эффективный механизм управления. Эта технология открывает путь к созданию сверхкомпактных источников света и систем управления лучом для различных применений.
Потенциальные применения включают системы LiDAR, генерацию квантового света и оптическую обработку сигналов, интегрированные непосредственно на чипе. Технология масштабируема и может работать с различными нелинейными материалами и длинами волн, включая ультрафиолетовый диапазон. Стоит отметить, что помимо генерации третьей гармоники, для преобразования инфракрасного света в видимый также используются и другие методы, такие как генерация суммарной частоты, ап-конверсия через антистоксову люминесценцию в специальных материалах и параметрические процессы в нелинейных кристаллах, которые находят применение в инфракрасной визуализации и телекоммуникациях. Исследование, опубликованное в журнале eLight, поддерживается Министерством обороны США и научными фондами, представляя значительный шаг вперед в развитии интегральной фотоники.
Источник: This paper-thin chip turns invisible light into a steerable beam