Сегодня ближнепольный свет в основном используется для микроскопии сверхвысокого разрешения, известной как сканирующие оптические микроскопы ближнего поля (NSOM). Однако свет ближнего поля также имеет неиспользованный потенциал для манипулирования частицами, зондирования и оптической связи.
Но поскольку свет ближнего поля не достигает наших глаз, как свет дальнего поля, исследователи не разработали всеобъемлющий инструментарий для управления ближним полем и управления им.
«Сегодня у нас есть множество инструментов и методов для проектирования того, как выглядит свет в дальней зоне», – сказал Винсент Гинис, приглашенный профессор Гарвардского университета Джон А. Школа Полсона инженерных и прикладных наук (SEAS). «У нас есть линзы, телескопы, призмы и голограммы.
Все это позволяет нам создавать свободно распространяющийся в космосе свет."
Гинис также является профессором Брюссельского университета Врие.
Теперь исследователи SEAS разработали систему для формирования света ближнего поля, открывая дверь к беспрецедентному контролю над этим мощным, в значительной степени неизученным типом света.
Исследование опубликовано в Science.
«За прошедшие годы наша группа разработала новые мощные методы структурирования распространения света с использованием субволновых метаповерхностей», – сказал Федерико Капассо, профессор прикладной физики Роберта Уоллеса и старший научный сотрудник по электротехнике Винтона Хейса и старший автор статьи. «В этой работе мы показываем, как структурировать ближнее поле на расстоянии, открывая захватывающие возможности в науке и технологиях."
Чтобы управлять светом ближнего поля, исследователи разработали устройство, в котором свет, ограниченный волноводом, отражается назад и вперед между двумя отражателями. После каждого отскока он меняет режим, то есть распространяется с другим пространственным шаблоном. С множественными отскоками эти узоры складываются в сложный профиль интенсивности света вдоль волновода. Свет ближнего поля у поверхности волновода также меняет.
Когда все различные узоры ближнепольного света накладываются друг на друга, создается определенная форма. Исследователи могут предварительно запрограммировать эту форму, настроив амплитуду режимов отраженного света.
«Сосуществование всех этих режимов может быть разработано для создания пейзажей ближнего поля по желанию на поверхности устройства», – сказал Марко Пиккардо, научный сотрудник SEAS и соавтор статьи. «Форма ландшафта определяется совокупностью свойств падающего света."
"Это немного похоже на музыку", – сказал Гинис. "Музыка, которую вы слышите, представляет собой суперпозицию многих нот или звуков, собранных в шаблоны, задуманные композитором. Одна нота – это немного, но, вместе взятые, вы можете создавать музыку любого типа.
В то время как музыка работает во времени, наш генератор ближнего поля работает в трехмерном пространстве, и дополнительный интригующий аспект нашего устройства заключается в том, что одна нота генерирует другую."
Важно отметить, что этот процесс формования происходит удаленно, что означает, что никакая часть устройства напрямую не взаимодействует со светом ближнего поля.
Это снижает интерференцию, что важно для таких приложений, как манипуляции с частицами, и является серьезным отклонением от текущих локальных методов моделирования ближних полей, таких как сияние света на металлических наконечниках и наночастицах.
Чтобы продемонстрировать свою конструкцию, исследователи вылепили ближнепольный свет в форме слона. Или, более конкретно, слон внутри удава, дань уважения игре размеров в классическом романе Антуана де Сент-Экзюпери «Маленький принц».
Исследователи также сформировали свет в виде кривой, плато и прямой линии.
«Это исследование открывает новый путь к беспрецедентному трехмерному управлению светом ближнего поля», – сказал Капассо. "Это предвестник захватывающих открытий и технологических разработок, которые я ожидаю в результате этой работы в будущем."