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Avance ultrarrápido de dirección de haz en Sandia Labs

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Avance ultrarrápido de dirección de haz en Sandia Labs

por Staff Writers

Albuquerque NM (SPX) 21 de marzo de 2023

En un gran avance en los campos de la nanofotónica y la óptica ultrarrápida, un equipo de investigación de Sandia National Laboratories ha demostrado la capacidad de dirigir dinámicamente los pulsos de luz de las llamadas fuentes de luz incoherentes convencionales.

Esta capacidad de controlar la luz mediante un dispositivo semiconductor podría permitir que fuentes relativamente económicas y de baja potencia, como los LED o las bombillas de las linternas, reemplacen los rayos láser más potentes en nuevas tecnologías, como los hologramas, la detección remota, los automóviles autónomos y la comunicación de alta velocidad.

"Lo que hemos hecho es mostrar que se puede dirigir un haz de luz incoherente", dijo Prasad Iyer, científico de Sandia y autor principal de la investigación, que se informó en la edición actual de la revista Nature Photonics. El trabajo fue financiado por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía.

La luz incoherente es emitida por muchas fuentes comunes, como una bombilla incandescente antigua o una bombilla LED. Esta luz se denomina incoherente ya que los fotones se emiten con diferentes longitudes de onda y de forma aleatoria. Sin embargo, un haz de luz de un láser no se propaga ni se difunde porque los fotones tienen la misma frecuencia y fase y, por lo tanto, se denomina luz coherente.

En la investigación del equipo, manipularon la luz incoherente mediante el uso de materiales estructurados artificialmente llamados metasuperficies, hechos de diminutos bloques de construcción de semiconductores llamados metaátomos que pueden diseñarse para reflejar la luz de manera muy eficiente. Aunque las metasuperficies se habían mostrado prometedoras anteriormente para crear dispositivos que pudieran dirigir los rayos de luz a ángulos arbitrarios, también presentaban un desafío porque solo se habían diseñado para fuentes de luz coherentes. Idealmente, uno querría un dispositivo semiconductor que pueda emitir luz como un LED, dirigir la emisión de luz a un ángulo establecido mediante la aplicación de un voltaje de control y cambiar el ángulo de dirección a la velocidad más rápida posible.

Los investigadores comenzaron con una metasuperficie semiconductora que tenía incrustadas pequeñas fuentes de luz llamadas puntos cuánticos. Mediante el uso de un pulso óptico de control, pudieron cambiar, o reconfigurar, la forma en que la superficie reflejaba la luz y dirigir las ondas de luz emitidas por los puntos cuánticos en diferentes direcciones en un rango de 70 grados por menos de una billonésima de segundo. -En segundo lugar, marcando un éxito significativo. De manera similar a la dirección basada en láser, el haz dirigido restringió la tendencia de la luz incoherente a extenderse en un ángulo de visión más amplio y, en cambio, produjo una luz brillante a distancia.

Domar la luz

Una hazaña que antes se consideraba imposible, el trabajo de prueba de principio del equipo allana el camino para el desarrollo en los campos de la nanofotónica y la óptica ultrarrápida. La capacidad de controlar dinámicamente las fuentes de luz incoherentes y manipular sus propiedades ofrece una amplia gama de aplicaciones.

Un uso de baja potencia sería para iluminar las pantallas de los cascos militares que se utilizan para superponer mapas o planos sobre la visión ordinaria. “En aplicaciones donde el espacio es valioso”, dijo Iyer, “la emisión de luz de dirección con pantallas LED de metasuperficie de bajo tamaño y peso podría ser posible en el futuro con esta tecnología. Podemos usar la luz emitida de una mejor manera en lugar de simplemente apagarlos y encenderlos”.

La técnica también podría proporcionar un nuevo tipo de pantalla pequeña que puede proyectar imágenes holográficas en los globos oculares utilizando LED de bajo consumo, una capacidad de particular interés para los dispositivos de realidad aumentada y virtual. Otros usos podrían ser en automóviles autónomos donde LIDAR se usa para detectar objetos en el camino del automóvil.

En términos de expresiones de interés, el equipo ha recibido varias consultas de fuentes comerciales, dijo el investigador de Sandia Igal Brener, autor del artículo y científico principal del proyecto. “Un producto comercial podría tardar entre 5 y 10 años, especialmente si queremos tener toda la funcionalidad en el chip”, dijo Brener. “No usarías un pulso óptico de control para impartir los cambios en la metasuperficie necesarios para dirigir la luz, sino que harías este control eléctricamente. Tenemos ideas y planes, pero aún es pronto. Imagina una bombilla de luz LED que puede emitir luz para seguirte. Entonces no desperdiciarías toda esa iluminación donde no hay nadie. Esta es una de las muchas aplicaciones con las que soñamos con el DOE hace años para la eficiencia energética en la iluminación de oficinas, por ejemplo”.

De manera similar, la luz domesticada puede algún día ofrecer beneficios en escenarios donde la iluminación enfocada solo se necesita en un área específica de interés, como una cirugía o en vehículos autónomos.

Para la luz incoherente, el futuro parece brillante.

Informe de investigación:Dirección de subpicosegundos de emisión incoherente ultrarrápida de metasuperficies de semiconductores

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