In einem großen Durchbruch auf den Gebieten der Nanophotonik und der ultraschnellen Optik hat ein Forschungsteam der Sandia National Laboratories die Fähigkeit demonstriert, Lichtimpulse von herkömmlichen, sogenannten inkohärenten Lichtquellen dynamisch zu lenken.
Diese Fähigkeit, Licht mit einem Halbleiterbauelement zu steuern, könnte es relativ kostengünstigen Quellen mit geringem Stromverbrauch wie LEDs oder Taschenlampen ermöglichen, leistungsstärkere Laserstrahlen in neuen Technologien zu ersetzen. wie Hologramme, Fernerkundung, selbstfahrende Autos und Hochgeschwindigkeitskommunikation.
„Was wir getan haben, ist zu zeigen, dass es möglich ist, einen inkohärenten Lichtstrahl zu lenken“, sagte Prasad Iyer, Sandia-Wissenschaftler und Hauptautor der Forschung, über die in der aktuellen Ausgabe des Berichts berichtet wurde. Naturphotonik. Die Arbeit wurde vom Office of Science des Energieministeriums finanziert.
Inkohärentes Licht wird von vielen gängigen Quellen ausgestrahlt, wie z. B. einer altmodischen Glühlampe oder einer LED-Lampe. Dieses Licht wird als inkohärent bezeichnet, da die Photonen mit unterschiedlichen Wellenlängen und zufällig emittiert werden. Ein Lichtstrahl eines Lasers breitet sich jedoch nicht aus und streut nicht, da die Photonen die gleiche Frequenz und Phase haben und daher als kohärentes Licht bezeichnet werden.
In der Forschung des Teams manipulierten sie inkohärentes Licht mit künstlich strukturierten Materialien, den sogenannten Metaoberflächen, die aus winzigen Halbleiterbausteinen, den Metaatomen, bestehen, die so konstruiert werden können, dass sie Licht sehr effizient reflektieren. Obwohl sich Metaoberflächen zuvor als vielversprechend für die Entwicklung von Geräten erwiesen hatten, die Lichtstrahlen in beliebige Winkel lenken können, stellten sie auch eine Herausforderung dar, da sie nur für kohärente Lichtquellen ausgelegt waren. Idealerweise möchte man ein Festkörpergerät, das wie eine LED Licht aussendet, die Lichtemission durch Anlegen einer Steuerspannung in einem bestimmten Winkel lenkt und den Lenkwinkel mit der schnellstmöglichen Geschwindigkeit ändert.
Die Forscher begannen mit einer Halbleiter-Metaoberfläche, in die winzige Lichtquellen, sogenannte Quantenpunkte, eingebettet waren. Mithilfe eines steuernden optischen Impulses konnten sie ändern oder neu konfigurieren, wie die Oberfläche das Licht reflektierte, und die von den Quantenpunkten emittierten Lichtwellen in weniger als einem Billionstel Zeit über einen Bereich von 70 Grad in verschiedene Richtungen lenken. -Zweitens markiert einen bedeutenden Erfolg. Ähnlich wie beim Richten mit einem Laser begrenzte der gerichtete Strahl die Tendenz von inkohärentem Licht, sich über einen größeren Betrachtungswinkel auszubreiten, und erzeugte stattdessen helles Licht in der Ferne.
Licht zähmen
Die Proof-of-Principle-Arbeit des Teams, die zuvor als unmöglich galt, ebnet den Weg für Entwicklungen in den Bereichen Nanophotonik und ultraschnelle Optik. Die Fähigkeit, inkohärente Lichtquellen dynamisch zu steuern und ihre Eigenschaften zu manipulieren, bietet ein breites Anwendungsspektrum.
Eine Verwendung mit geringem Stromverbrauch wäre die Beleuchtung der Displays von Militärhelmen, die verwendet werden, um Karten oder Blaupausen auf das normale Sehvermögen zu legen. „Bei Anwendungen, bei denen der Platz knapp ist“, sagte Iyer, „könnte mit dieser Technologie in Zukunft eine Lenklichtemission mit Meta-Flächen-LED-Anzeigen mit geringer Größe und geringem Gewicht möglich werden. Wir können das emittierte Licht besser nutzen, anstatt es nur aus- und wieder einzuschalten.“
Die Technik könnte auch eine neue Art von kleinen Displays bereitstellen, die in der Lage sind, holografische Bilder unter Verwendung von LEDs mit geringem Stromverbrauch auf Augäpfel zu projizieren, eine Fähigkeit, die für Augmented- und Virtual-Reality-Geräte besonders attraktiv ist. Andere Anwendungen könnten in selbstfahrenden Autos liegen, wo LIDAR verwendet wird, um Objekte auf dem Weg des Autos zu erkennen.
In Bezug auf Interessensbekundungen hat das Team mehrere Anfragen aus kommerziellen Quellen erhalten, sagte der Sandia-Forscher Igal Brener, Autor des Artikels und leitender Wissenschaftler des Projekts. „Ein kommerzielles Produkt kann 5 bis 10 Jahre alt sein, besonders wenn wir alle Funktionen auf dem Chip haben wollen“, sagte Brener. „Sie würden keinen optischen Steuerimpuls verwenden, um die Änderungen in der Metaoberfläche zu übermitteln, die zum Lenken des Lichts erforderlich sind, sondern Sie würden diese Steuerung elektrisch vornehmen. Wir haben Ideen und Pläne, aber wir sind noch am Anfang. Stellen Sie sich eine LED-Glühbirne vor, die Licht abgeben kann, um Ihnen zu folgen. So verschwenden Sie nicht all das Licht, wo niemand ist. Es ist eine der vielen Anwendungen, die wir uns vor Jahren mit dem DOE ausgedacht haben, zum Beispiel für die Energieeffizienz in der Bürobeleuchtung.
Ebenso könnte gezähmtes Licht eines Tages Vorteile in Szenarien bieten, in denen eine fokussierte Beleuchtung nur in einem bestimmten Interessenbereich benötigt wird, wie z. B. in Operationen oder selbstfahrenden Fahrzeugen.
Für inkohärentes Licht sieht die Zukunft rosig aus.
Sandia National Laboratories ist ein Multi-Mission-Labor, das von National Technology and Engineering Solutions of Sandia LLC, einer hundertprozentigen Tochtergesellschaft von Honeywell International Inc., für die National Nuclear Security Administration des US-Energieministeriums betrieben wird. Sandia Labs hat bedeutende Forschungs- und Entwicklungsaufgaben in den Bereichen nukleare Abschreckung, globale Sicherheit, Verteidigung, Energietechnologien und wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit mit Haupteinrichtungen in Albuquerque, New Mexico, und in Livermore, Kalifornien.
