Une métasurface nouvellement développée génère des faisceaux lumineux structurés

Une équipe de chercheurs a mis au point un nouvel outil capable de produire des états complexes de la lumière. Cette recherche est publiée dans le journal Science.

Une métasurface utilise la lumière polarisée circulairement pour générer et contrôler des états nouveaux et complexes de la lumière, tels que des tourbillons de lumière. Crédit image : Second Bay Studio / Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.

Une métasurface utilise la lumière polarisée circulairement pour générer et contrôler des états nouveaux et complexes de la lumière, tels que les tourbillons de lumière. Crédit image : Second Bay Studio / Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.

La nouvelle métasurface relie deux aspects de la lumière : le moment angulaire orbital et la polarisation circulaire (ou moment angulaire de rotation).

La polarisation est la direction selon laquelle la lumière vibre. Dans la lumière polarisée circulairement, la vibration de la lumière trace un cercle. Pensez au moment cinétique orbital et à la polarisation circulaire comme au mouvement d’une planète. La polarisation circulaire est la direction dans laquelle une planète tourne sur son axe, tandis que le moment cinétique orbital décrit comment la planète tourne autour du Soleil.

Le fait que la lumière puisse même transporter un moment orbital est une découverte relativement récente, mais c’est cette propriété de la lumière qui produit de nouveaux états étranges, tels que des faisceaux en forme de tire-bouchon.

Des recherches antérieures ont utilisé la polarisation de la lumière pour contrôler la taille et la forme de ces faisceaux exotiques, mais le lien était limité car seules certaines polarisations pouvaient se convertir en certains moments orbitaux.

“Nous avons développé une métasurface qui constitue un nouvel outil pour étudier les nouveaux aspects de la lumière”, a déclaré l’auteur principal, le professeur Federico Capasso, de l’école d’ingénierie et de sciences appliquées John A. Paulson de Harvard.

“Ce composant optique rend possible des opérations beaucoup plus complexes et permet aux chercheurs d’explorer non seulement de nouveaux états de la lumière mais aussi de nouvelles applications de la lumière structurée.”

“Cette métasurface donne la connexion la plus générale, à travers un seul dispositif, entre le moment orbital et la polarisation de la lumière qui ait été réalisée jusqu’à présent”, a ajouté le premier auteur, le Dr Robert Devlin, également de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.

Le dispositif peut être conçu de telle sorte que n’importe quelle polarisation de la lumière en entrée peut produire n’importe quel moment angulaire orbital en sortie – ce qui signifie que n’importe quelle polarisation peut produire n’importe quel type de lumière structurée, des spirales et tire-bouchons aux tourbillons de n’importe quelle taille.

De plus, le dispositif multifonctionnel peut être programmé de sorte qu’une polarisation donne lieu à un tourbillon et qu’une polarisation différente donne lieu à un tourbillon complètement différent.

“Il s’agit d’un composant optique complètement nouveau. Certaines métasurfaces sont des itérations ou des versions plus efficaces et plus compactes de dispositifs optiques existants, mais cette conversion arbitraire du spin à l’orbite ne peut être réalisée avec aucun autre dispositif optique”, a déclaré le Dr Antonio Ambrosio, co-auteur du projet et membre du Harvard Center for Nanoscale Systems.

“Il n’y a rien dans la nature également qui puisse faire cela et produire ces états de lumière”.

Une application potentielle se situe dans le domaine de la manipulation moléculaire et des pinces optiques, qui utilisent la lumière pour déplacer les molécules. Le momentum orbital de la lumière est suffisamment fort pour faire tourner et déplacer des particules microscopiques.

Une autre application est l’imagerie à haute puissance. Le trou noir au centre du vortex, connu sous le nom de région d’intensité lumineuse nulle, permet d’obtenir des images de caractéristiques plus petites que la limite de diffraction, qui correspond généralement à la moitié de la longueur d’onde de la lumière. En changeant la polarisation de la lumière, la taille de cette région centrale peut être modifiée pour focaliser des éléments de taille différente.

Mais ces faisceaux peuvent également faire la lumière sur des questions fondamentales de la physique.

“Ces faisceaux présentent un intérêt pour l’optique quantique et l’information quantique”, a déclaré le co-auteur Noah Rubin, de l’école d’ingénierie et de sciences appliquées John A. Paulson de Harvard.

“Du côté plus appliqué, ces faisceaux pourraient trouver une application dans la communication optique en espace libre, notamment dans les environnements de diffusion où cela est habituellement difficile.”

“De plus, il a été récemment démontré que des éléments similaires peuvent être incorporés dans des lasers, produisant directement ces nouveaux états de la lumière. Cela pourrait conduire à des applications imprévues.”

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