在纳米光子学和超快光学领域的一个重大突破中，桑迪亚国家实验室的一个研究小组已经证明了动态引导来自传统的所谓非相干光源的光脉冲的能力。

这种使用半导体设备控制光线的能力可以让LED或手电筒等低功率、相对廉价的光源在全息图、遥感、自动驾驶汽车和高速通信等新技术中取代更强大的激光束。

"我们所做的是表明，引导一束非相干光是可以做到的，"桑迪亚的科学家和这项研究的主要作者Prasad Iyer说，这项研究在当前的《自然-光子学》杂志上报告。

非相干光是由许多常见的光源发出的，如老式的白炽灯或LED灯泡。这种光被称为非相干光，因为光子是以不同的波长和随机的方式发射出来的。然而，来自激光的一束光不会扩散和漫射，因为光子具有相同的频率和相位，因此被称为相干光。

在该团队的研究中，他们通过使用被称为元表面的人工结构材料来操纵非相干光，该材料由称为元原子的半导体微小构件制成，可以被设计成非常有效地反射光线。尽管元表面之前已经显示出创建能够将光线转向任意角度的设备的前景，但它们也是一个挑战，因为它们只被设计为相干光源。

理想情况下，人们希望有一种半导体设备能够像LED一样发光，通过施加控制电压将光线发射转向一个设定的角度，并以最快的速度转移转向角度。

研究人员从一个嵌入了称为量子点的微小光源的半导体元表面开始。通过使用控制光脉冲，他们能够改变或重新配置表面反射光的方式，并在70度的范围内将量子点发出的光波转向不同的方向，时间不到一万亿分之一秒，标志着一个重大的成功。

与基于激光的转向类似，被转向的光束抑制了非相干光在更大的观察角度上传播的趋势，而是在远处产生了明亮的光线。

驯服光线
一个以前被认为是不可能的壮举，该团队的原则性证明工作为纳米光子学和超快光学领域的发展铺平了道路。动态控制非相干光源并操纵其特性的能力提供了广泛的应用。

一个低功率的用途是使军用头盔屏幕变亮，用于在普通视觉上叠加地图或蓝图。"在空间宝贵的应用中，"Iyer说，"利用这项技术，未来可以用低尺寸和低重量的元表面-LED显示器来引导光发射。我们可以以更好的方式使用发射的光，而不仅仅是关闭和开启它们。"

这项技术还可以提供一种新的小型显示器，可以使用低功耗的LED将全息图像投射到眼球上，这种能力对于增强型和虚拟现实设备来说特别有意义。其他用途可能是在自动驾驶汽车中使用激光雷达来感知汽车路径上的物体。

桑迪亚研究员Igal Brener说，在表达兴趣方面，该团队已经有几个来自商业来源的询问，他是该项目论文作者和首席科学家。Brener说："一个商业产品可能需要5-10年的时间，特别是如果我们想在芯片上实现所有的功能，"。

"你不会使用控制光脉冲来传授引导光线所需的元表面的变化，而是用电子方式进行控制。我们有想法和计划，但现在还很早。想象一下，一个LED灯泡可以发出光来跟随你。那么你就不会在没有人的地方浪费所有的照明。这是我们多年前与能源部梦想的许多应用之一，例如，用于办公室照明的能源效率"。

同样，驯服的光线有一天可能会在只需要在一个特定区域集中照明的情况下提供好处，例如手术或自动驾驶汽车。

更多信息

Prasad Iyer, Sub-picosecond steering of ultrafast incoherent emission from semiconductor metasurfaces, Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01172-6. www.nature.com/articles/s41566-023-01172-6