研究人员已成功研制出一种纸一样薄的芯片，它能将红外光转换为可见光并实现精确引导，整个过程无需任何机械运动。这一设计攻克了光塑形材料领域长期存在的效率与控制难以兼顾的难题，为直接在芯片上集成微小且高效的光源铺平了道路。
这种新型超表面采用超薄芯片形式，表面覆盖着比光波长本身还小的微小结构。当红外激光照射该表面时，芯片会将光转换到更高的颜色（或频率），并作为紧密聚焦的光束释放出来。只需改变入射光的偏振态，即可调整该光束的方向。
在实验室测试中，研究人员将波长约为1530纳米（类似于光纤通信系统中使用的波长）的红外光，转换为人眼可见的、波长接近510纳米的绿光。他们还能够以高精度将出射光束引导至选定的角度。
"可以把它想象成一个扁平的、微观大小的聚光灯，它不仅改变光的颜色，还能将光束指向你想要的任何方向，所有这些都集成在单个芯片上，"纽约市立大学高级科学研究中心光子学倡议创始主任、纽约市立大学研究生中心杰出教授Andrea Alù说。"通过让表面的不同部分协同工作，我们既实现了非常高效的光转换，又能精确控制光的去向。"
解决一个长期的工程挑战
长期以来，工程师们一直利用超表面，通过平坦的纳米级结构来弯曲、聚焦和塑造光线。然而，这些系统通常面临着一个艰难的权衡。
一些设计通过在表面上每个单独的点调整光来实现精细控制，但在增强光信号方面效率不高。其他设计则允许光波在整个表面相互作用，这可以极大地提高效率，但这种方法通常牺牲了对光束形状和方向的详细控制。
纽约市立大学开发的新设备是首个克服这一局限性的器件，用于非线性光产生过程（即一种颜色的光转换为另一种颜色的光）。该芯片利用一种称为连续谱中准束缚态的集体共振，在整个表面捕获并增强入射的红外光。同时，每个微小的结构元件都按照精心规划的模式旋转，使出射光获得与位置相关的相位，其效果类似于内置透镜或棱镜。
无需移动部件的有效光束控制
得益于这种设计，超表面能够产生三次谐波（意味着出射光的频率是入射光束的三倍），同时还能将这些光引导到特定方向。改变入射光束的偏振态会反转引导方向，这提供了一种简单有效的方法来控制光的去向。
结果，该芯片产生的三次谐波信号的效率，比那些缺乏这种集体共振的类似光束整形器件所能达到的效率高出约100倍。
迈向紧凑型光源与集成光学
能够在平面芯片上有效地产生并引导新颜色的光，为许多实际应用打开了大门。
"这个平台为激光雷达、量子光产生和光学信号处理等技术应用中的超紧凑光源和光束控制元件开辟了一条道路，所有这些都可以直接集成在芯片上，"论文第一作者Michele Cotrufo说，他曾是纽约市立大学的博士后研究员，现任罗切斯特大学助理教授。"由于这个概念是由几何结构驱动的，而不是由特定材料决定的，因此它可以应用于许多其他非线性材料，以及不同颜色的光，包括紫外光。"
研究人员补充说，该技术的未来版本可能涉及堆叠或组合多个超表面，每个超表面针对略有不同的波长进行优化，以便在更宽的波长范围内高效工作。
这项研究得到了美国国防部、西蒙斯基金会和欧洲研究委员会的支持。