Uppfinningen av små enheter som kan styra ljusets riktning och beteende med precision är avgörande för utvecklingen av avancerad teknik.
Forskare vid Advanced Science Research Center vid CUNY Graduate Center (CUNY ASRC) har tagit ett viktigt steg framåt med utvecklingen av en metayta som kan omvandla osynligt infrarött ljus till synligt ljus och rikta det i olika riktningar – utan några rörliga delar. Detaljerna i deras arbete beskrivs i en artikel publicerad i tidskriften eLight.
Den nya metaytan är konstruerad av ett ultratunt chip med små strukturer som är mindre än ljusets våglängd. När chipet träffas av en infraröd laser omvandlar det det inkommande ljuset till en högre färg (eller frekvens) och skickar ut det nya ljuset som en smal stråle som kan styras genom att helt enkelt ändra polarisationen av det inkommande ljuset.
I sina experiment omvandlade teamet infrarött ljus på cirka 1530 nanometer – liknande det ljus som används i fiberoptisk kommunikation – till synligt grönt ljus nära 510 nanometer och styrde det till valda vinklar.
”Tänk på det som en platt, mikroskopisk strålkastare som inte bara ändrar ljusets färg utan också riktar strålen dit du vill, allt på ett enda chip”, säger Andrea Alù, grundande direktör för CUNY ASRC Photonics Initiative och framstående professor vid CUNY Graduate Center.
”Genom att få olika delar av ytan att samverka får vi både en mycket effektiv omvandling av ljuset och precis kontroll över vart ljuset riktas.”
Lösning på en långvarig avvägning
Ingenjörer har länge använt metaytor – platta, nanostrukturerade material – för att böja och forma ljus. Dessa enheter står dock vanligtvis inför en avvägning:
- Strukturer som styr ljuset vid varje pixel på ytan är flexibla men inte särskilt effektiva när det gäller att förstärka ljuset.
- Strukturer som låter ljusvågor spridas och interagera över hela ytan kan vara mycket effektiva, men de förlorar den fina kontrollen över strålens form.
Den nya CUNY-enheten är den första som gör båda sakerna samtidigt för icke-linjär ljusgenerering, där en ljusfärg omvandlas till en annan. Den använder en speciell typ av kollektiv resonans – kallad kvasi-bundet tillstånd i kontinuum – för att fånga upp och förstärka det inkommande infraröda ljuset över hela ytan.
Samtidigt roteras varje liten byggsten på ytan i ett noggrant utformat mönster, vilket ger det utgående ljuset en positionsberoende fas, som en inbyggd lins eller ett prisma.
Tack vare denna design producerar chipet tredje harmoniska ljus – ljus vars frekvens är tre gånger så hög som den inkommande strålens – samtidigt som den nya strålen styrs i specifika riktningar. Riktningen vänds när polariseringen av det inkommande ljuset vänds, vilket ger en enkel ”knapp” för att styra strålens riktning.
Resultatet är en tredje harmonisk signal som är ungefär 100 gånger effektivare än i jämförbara enheter som kan forma strålar men saknar dessa kollektiva resonanser.
Mot små ljuskällor och strålstyrning på chip
Förmågan att effektivt generera och styra nya ljusfärger på ett platt chip har många potentiella användningsområden.
”Denna plattform öppnar en väg till ultrakompakta ljuskällor och strålstyrningselement för tekniker som LiDAR, kvantljusgenerering och optisk signalbehandling, alla integrerade direkt på ett chip”, säger huvudförfattaren Michele Cotrufo, tidigare postdoktorand vid CUNY och nu biträdande professor vid University of Rochester.
”Eftersom konceptet drivs av geometri, inte av ett specifikt material, kan det tillämpas på många andra icke-linjära material och över olika ljusfärger, inklusive ultraviolett.”
Framtida konstruktioner skulle kunna stapla eller kombinera flera metaytor, var och en något olika inställda, för att fungera effektivt över ett bredare våglängdsområde, säger forskarna.
Publikationsdetaljer
Michele Cotrufo et al, Nonlinear nonlocal metasurfaces, eLight (2026). DOI: 10.1186/s43593-025-00116-7
