Harvard SEAS、新タイプのメタサーフェスで前例のないレーザ制御

July, 6, 2021, Cambridge--レーザ光の様々な特性を精密制御できることは､商用VRヘッドセットからバイオメディカル研究用の顕微鏡イメージングまで､われわれが今日使っている多くの技術にとって極めて重要である｡今日のレーザシステムの多くは､個別の回転コンポーネントに依存してレーザビームの波長､形状､パワーを制御するので､これらのデバイスはかさばり､保守が難しい｡

Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences(SEAS)の研究チームは､波長を含むレーザ光の様々な特性を､付加的光コンポーネントなしで､効果的に調整できるシングルメタサーフェスを開発した｡メタサーフェスは､光をマルチビームに分け､その形状と強度を独立に､正確かつパワー効率よく制御できる｡

研究チームは､量子センシングからVR/ARヘッドセットまで幅広いアプリケーション向けの軽量､効率的光システムに扉を開いた｡

｢われわれのアプローチは､光源の放射を設計し､1個のメタサーフェスで並行して多機能を制御する新方法への道を開く｡例えば､合焦､偏光､ビーム成形などである｣とSEASのFederico Capassoは話している｡
研究成果は､Nature Communicationsに発表された｡

チューナブルレーザは､わずか2つのコンポーネント､レーザダイオードと反射メタサーフェスを持つ｡以前のメタサーフェス､光制御で個別のピラーのネットワークに依存するものとは違い､このサーフェスは､いわゆるスーパーセル､つまりピラーグループを利用する｡これらは､光の様々な面を制御するために協働する｡

ダイオードからの光がメタサーフェス上のスーパーセルに当たると､光の一部が後方反射され､ダイオードとメタサーフェスの間にレーザキャビティを作る｡光の他の部分は､反射されて最初のものとは独立した第2のビームに入る｡

｢光がメタサーフェスに当たると､様々な色が様々な方向へ屈折させられる｣と論文の筆頭著者､SEAS院生､Christina Spägeleは説明している｡｢われわれは､この効果を利用し､われわれが選択した波長だけが正しい方向でダイオードに戻るようにそれを設計し､レーザがその特定の波長でのみ動作するようにすることができた｣｡

波長を変えるには､研究チームは､レーザダイオードに対してメタサーフェスを動かすだけでよい｡

｢既存の波長チューナブルレーザと比べて設計はコンパクトで簡素｡いかなる回転コンポーネントも必要としないからである｣と論文の共著者､SEASの前ポスドクフェロー､Michele Tamagnoneは説明している｡

研究チームは､レーザビームの形状を完全に制御して､複雑なホログラムを投影できることも示した｡この場合は、複雑な､1世紀の歴史をもつHarvadシールド｡チームは､入射光をそれぞれが異なる特性を持つ3つの独立したビームに分けられることも示した｡従来のビーム､光学渦､ブルズアイのように見え､光ピンセットを含む多くのアプリケーションで使われるベッセルビームとして知られるビームの3つである｡

｢どんなタイプのレーザでもコントロールできることに加えて､並行して任意の角度の方向にマルチビームを生成できることにより､科学的計測からAR/VR､ホログラフィまで多くのアプリケーションが可能になる｣とCapassoはコメントしている｡

(詳細は､https://www.seas.harvard.edu)