Il existe de nombreux types de lumière – certains visibles et d’autres invisibles à l’œil humain. Par exemple, nos yeux et notre cerveau n’ont pas les outils pour traiter la lumière ultraviolette lorsqu’elle frappe nos yeux, la rendant invisible. Mais il existe un autre type de lumière qui est invisible simplement parce qu’il n’atteint jamais nos yeux. Lorsque la lumière frappe certaines surfaces, une partie de celle-ci colle et reste derrière au lieu d’être transmise ou dispersée. Ce type de lumière est appelé lumière de champ proche.

Aujourd’hui, la lumière en champ proche est principalement utilisée pour la microscopie à ultra-haute résolution, connue sous le nom de microscopes optiques à balayage en champ proche (NSOM). Cependant, la lumière en champ proche a également un potentiel inexploité pour la manipulation des particules, la détection et les communications optiques. Mais comme la lumière en champ proche n’atteint pas nos yeux comme la lumière en champ lointain, les chercheurs n’ont pas développé une boîte à outils complète pour exploiter et manipuler le champ proche.

«Aujourd’hui, nous disposons de nombreux outils et techniques pour concevoir à quoi ressemble la lumière en champ lointain», a déclaré Vincent Ginis, professeur invité à la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). «Nous avons des lentilles, des télescopes, des prismes et des hologrammes. Toutes ces choses nous permettent de sculpter une lumière se propageant librement dans l’espace.

Ginis est également professeur à l’Université Vrije de Bruxelles.

Aujourd’hui, les chercheurs de SEAS ont développé un système pour mouler la lumière en champ proche – ouvrant la porte à un contrôle sans précédent sur ce type de lumière puissant et largement inexploré. La recherche est publiée dans Science.

«Au fil des ans, notre groupe a développé de nouvelles techniques puissantes pour structurer la propagation de la lumière à l’aide de métasurfaces à motifs de sous-longueurs d’onde», a déclaré Federico Capasso, professeur Robert Wallace de physique appliquée et chercheur principal Vinton Hayes en génie électrique, et auteur principal de l’article. . «Avec ce travail, nous montrons comment structurer le champ proche à distance, ouvrant des opportunités passionnantes en science et technologie.»

Afin de manipuler la lumière en champ proche, les chercheurs ont développé un dispositif dans lequel la lumière confinée à un guide d’ondes rebondit entre deux réflecteurs. Après chaque rebond, il change de mode, ce qui signifie qu’il se propage avec un modèle spatial différent. Avec plusieurs rebonds, ces modèles s’additionnent pour générer un profil d’intensité lumineuse complexe le long du guide d’ondes. La lumière de champ proche près de la surface du guide d’ondes change également. Lorsque tous les différents modèles de la lumière de champ proche sont superposés les uns sur les autres, une forme spécifique est créée. Les chercheurs peuvent préprogrammer cette forme en adaptant l’amplitude des modes de la lumière réfléchissante.

«La coexistence de tous ces modes peut être conçue pour créer à volonté des paysages en champ proche à la surface de l’appareil», a déclaré Marco Piccardo, chercheur associé à SEAS et co-auteur de l’article. «La forme du paysage est déterminée par les propriétés combinées de la lumière en cascade.»

«C’est un peu comme de la musique», a déclaré Ginis. «La musique que vous entendez est la superposition de nombreuses notes ou modes assemblés dans des motifs conçus par le compositeur. Une seule note n’est pas beaucoup mais prise ensemble, vous pouvez générer n’importe quel type de musique. Alors que la musique fonctionne dans le temps, notre générateur de champ proche fonctionne dans un espace tridimensionnel et l’aspect extra intrigant de notre appareil est qu’une note génère l’autre.

Il est important de noter que ce processus de moulage se produit à distance, ce qui signifie qu’aucune partie de l’appareil n’interagit directement avec la lumière de champ proche. Cela réduit les interférences, ce qui est important pour des applications telles que la manipulation de particules, et constitue un changement majeur par rapport aux méthodes locales actuelles de sculpture de champs proches tels que la lumière brillante sur des pointes métalliques et des nanoparticules.

Pour démontrer leur conception, les chercheurs ont moulé la lumière en champ proche en forme d’éléphant. Ou, plus précisément, un éléphant dans un boa constrictor, un hommage au jeu de dimensions du classique d’Antoine de Saint-Exupéry Le Petit Prince.

Les chercheurs ont également façonné la lumière en une courbe, un plateau et une ligne droite.

«Cette recherche ouvre une nouvelle voie vers un contrôle tridimensionnel sans précédent de la lumière en champ proche», a déclaré Capasso.

Référence Ginis, V. et coll. Structuration à distance de paysages en champ proche. Science 24 juillet 2020: Vol. 369, numéro 6502, p. 436-440, DOI: 10.1126 / science.abb6406

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