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ハーバードSEAS、光を3Dに構造化

January, 20, 2022, Cambridge--曲がって渦になり、捻れてスパイラルになる立体照明には、超分解能イメージングから精密分子操作や通信まで、幅広いアプリケーションかある。

構造化照明の生成と制御は難しい。ほとんどの一般的なアプローチは、光の2つの特定側面、軌道角運動量と円偏光、つまりスピン角運動量の制御を重視してきた。

偏光は、光が振動する方向。円偏光では、光の振動は、円を描く。軌道角運動量と惑星の運動のような円偏光を考える。円偏光は、惑星がその軸を中心に回転する方向、それに対して軌道角は、惑星が太陽の周りをどのように周回するかを示している。

これまで、研究者は、光のこれら2つの側面をスナップショットのように個別に制御してきた。しかし、光は惑星のように、空間を動く。光が伝搬する際に、光のこれらの側面を無関係に制御、調整できるとしたらどうか。

ハーバードSEASの研究チームは、ビームパスに沿って空間で偏光を制御できるメタサーフェスを開発した。

今回、同じ研究チームが、伝搬パスにそって光の偏光と軌道角運動の両方を制御するコンパクトなメタサーフェスを実証した。これは、どんな入力偏光でも、空間伝搬にともない変化する構造化光の複雑な状態に変換できる。光の様々な入力偏光が異なる構造化渦を作れるように、デバイスはチューナブル、多機能である。
 研究成果は、Nature Communicationsに発表された。

「この種のコンパクトな集積デバイスは、光と物質の相互作用、フリースペース通信、イメージングを促進、リモートセンシングなど、他の波面整形ツールではアクセスできないようなアプリケーションを可能にする」とSEASのFederico Capassoは、コメントしている。

「われわれは、光のスピンと軌道角運動の間の最も一般的な変換を行う新しい種類のオプティクスを実証した。これは、2つの偏光を明確な空間的に変化する構造に結合する。静的メタサーフェスの反応が、入力偏光を変えるだけでどのように調整できるかも示した。光の偏光は、そのデバイスのノブとして働き、オールオプティカルな切替え可能反応を可能にする」と論文の筆頭著者、SEASポスドクフェロー、Ahmed H. Dorrahは説明している。

同等の機能を実行する代替法は、複雑で、かさばるベンチトップセットアップを必要とする。最小限で3つの液晶ディスプレイと追加のかさばるオプティクスをともなう。将来的に、同じ研究チームは、この研究をさらに拡張して、空間と時間の両方でその特性を変える構造化光を生成することを計画している。
(詳細は、https://www.seas.harvard.edu/)