Un chip ultradelgado convierte luz infrarroja en un haz visible y direccionable

Crear dispositivos extremadamente pequeños que puedan guiar y controlar la luz de manera precisa ha sido un desafío clave para muchas tecnologías emergentes. Científicos del Advanced Science Research Center de la CUNY Graduate Center lograron un avance significativo al desarrollar una metasuperficie capaz de convertir luz infrarroja invisible en luz visible y dirigirla sin depender de partes móviles. Los hallazgos se publicaron en un nuevo estudio en la revista eLight.

La nueva metasuperficie tiene la forma de un chip ultradelgado cubierto con estructuras diminutas más pequeñas que la longitud de onda de la luz misma. Cuando un láser infrarrojo impacta en la superficie, el chip transforma la luz a una frecuencia más alta y la emite como un haz enfocado. La dirección de ese haz se puede ajustar simplemente cambiando la polarización de la luz entrante.

En pruebas de laboratorio, los investigadores convirtieron luz infrarroja con una longitud de onda de aproximadamente 1530 nanómetros, similar a la utilizada en sistemas de comunicación por fibra óptica, en luz verde visible cerca de 510 nanómetros. También guiaron el haz saliente hacia ángulos seleccionados con alta precisión.

"Piense en ello como un proyector microscópico plano que no solo cambia el color de la luz, sino que también apunta el haz donde desee, todo en un solo chip", comentó Andrea Alù, director fundador de la CUNY ASRC Photonics Initiative y profesor distinguido en el CUNY Graduate Center. "Al hacer que diferentes partes de la superficie trabajen juntas, logramos una conversión de luz muy eficiente y un control preciso sobre a dónde va esa luz".

Resolviendo un desafío de ingeniería de larga data

Las metasuperficies han sido utilizadas por ingenieros para doblar, enfocar y dar forma a la luz mediante estructuras planas a escala nanométrica. Sin embargo, estos sistemas enfrentan típicamente un difícil compromiso. Algunos diseños ofrecen un control fino ajustando la luz en cada punto individual de la superficie, pero no son muy eficientes para reforzar la señal de luz. Otros diseños permiten que las ondas de luz interactúen en toda la superficie, lo que puede aumentar enormemente la eficiencia, pero a menudo sacrifican el control detallado sobre la forma y dirección del haz.

El nuevo dispositivo desarrollado en CUNY es el primero en superar esta limitación para la generación de luz no lineal, un proceso en el que un color de luz se convierte en otro. El chip utiliza una resonancia colectiva conocida como un estado cuasi ligado en el continuo para atrapar e intensificar la luz infrarroja entrante en toda la superficie. Al mismo tiempo, cada pequeño elemento estructural se rota en un patrón cuidadosamente planificado, permitiendo que la luz saliente adquiera una fase dependiente de la posición similar al efecto de una lente o prisma incorporados.

Dirección eficiente del haz sin partes móviles

Gracias a este diseño, la metasuperficie genera luz de tercer armónico, lo que significa que la luz saliente tiene tres veces la frecuencia del haz entrante, mientras dirige esa luz en direcciones específicas. Cambiar la polarización del haz entrante invierte la dirección de dirección, proporcionando una forma simple y efectiva de controlar a dónde va la luz.

Como resultado, la señal de tercer armónico producida por el chip es aproximadamente 100 veces más eficiente que lo que se logra con dispositivos similares de conformación de haz que carecen de estas resonancias colectivas.

Hacia fuentes de luz compactas y óptica integrada

Poder crear y dirigir eficientemente nuevos colores de luz en un chip plano abre la puerta a muchas aplicaciones prácticas. "Esta plataforma abre un camino hacia fuentes de luz ultracompactas y elementos de direccionamiento de haz para tecnologías como LiDAR, generación de luz cuántica y procesamiento de señales ópticas, todo integrado directamente en un chip", afirmó Michele Cotrufo, autor principal y profesor asistente en la Universidad de Rochester. "Debido a que el concepto se basa en la geometría, no en un material específico, se puede aplicar a muchos otros materiales no lineales y a diferentes colores de luz, incluyendo el ultravioleta".

Los investigadores añadieron que versiones futuras de la tecnología podrían involucrar apilar o combinar múltiples metasuperficies, cada una optimizada de manera ligeramente diferente, para funcionar de manera eficiente en un rango más amplio de longitudes de onda.

Esta investigación recibió apoyo del Departamento de Defensa de EE. UU., la Simons Foundation y el Consejo Europeo de Investigación.

Temas