Nyt nålepulsstrålemønster sætter gang i

Et nyt strålemønster udviklet af forskere fra University of Rochester kunne bringe hidtil uset skarphed til ultralyds- og radarbilleder, brænde præcise huller i fremstillede materialer i nanoskala – endda ætse nye egenskaber på deres overflader.

Dette er blot nogle få af genstandene på "juletræet" med mulige anvendelser for strålemønsteret, som Miguel Alonso, professor i optik, og Kevin Parker, William F. May professor i ingeniørvidenskab, beskrive i et nyligt papir i Optik Express .

Mønsteret er et resultat af, hvad Parker kalder "en analytisk smuk matematisk løsning", som Alonso udtænkte. Det får en lys- eller lydbølge til at kollapse indad, danner – i løbet af et nanosekund eller mindre – en utrolig tynd, intens stråle, før bølgen udvider sig udad igen.

"Al energien passer sammen i tid og rum, så den kommer sammen – BAM! – som et crescendo, " siger Parker, klapper eksplosivt i hænderne for at understrege. "Det kan gøres med en optisk lysbølge, med ultralyd, radar, ekkolod - det vil fungere for dem alle."

De fleste traditionelle strålemønstre bevarer en vedvarende form, så længe kilden er i drift. Imidlertid, de er ikke så intense som strålen skabt af Parker og Alonso, som forskerne kalder en "nålepulsstråle." "Det er meget lokaliseret, uden forlængelser eller sidesløjfer, der ville føre energi væk fra hovedstrålen, " siger Alonso.

Sidelapper, udstråler fra en stråle som glorier, der nogle gange ses omkring en bilforlygte, er især problematiske ved ultralyd. "Sidelapperne er fjenden, " siger Alonso. "Du vil rette hele din ultralydsbølge til den ene ting, du vil afbilde, så, hvad end der reflekteres tilbage vil fortælle dig om den ene ting. Hvis du også får en spredning af bølger andre steder, det slører billedet."

Fordi den er utrolig smal, den nye stråle "gør det muligt at løse ting med udsøgte opløsninger, hvor du skal adskille små ting, der er tæt på hinanden, "Parker siger, tilføjer, at strålen kunne have anvendelser ikke kun til ultralyd, men mikroskopi, radar, og sonar.

Ifølge Alonso, industrielle applikationer kan omfatte enhver form for behandling af lasermaterialer, der involverer at sætte så meget lys som muligt på en given linje.

Idéen til nålepulsstrålen opstod hos Parker, ekspert i ultralyd, som til inspiration ofte gennemlæser matematiske funktioner fra et århundrede eller mere siden i de "gamle tekster".

"Jeg kunne se en generel form for løsningen, men jeg kunne ikke komme forbi ligningen, " siger han "Så jeg gik til den person (Alonso), som jeg betragter som verdens førende ekspert i optisk teori og matematik."

De fandt på forskellige udtryk, der var "matematisk korrekte, Alonso siger, men svarede til stråler, der kræver en uendelig mængde energi. Løsningen - "et særligt matematisk trick", der kunne gælde for en stråle med begrænset energi - kom til ham, mens han svømmede med sin kone i Lake Ontario.

"Mange af de ideer, jeg har, sker ikke ved mit skrivebord, " siger Alonso. "Det sker, mens jeg cykler, eller i bad, eller svømning, eller gøre noget andet - væk fra alt papirarbejdet."

Parker siger, at denne opdagelse fortsætter en international søgen, der begyndte ved University of Rochester. I 1986 – i lyset af verdensomspændende skepsis – et universitetshold, inklusive Joseph Eberly, Andrew Carnegie professor i fysik og professor i optik, tilbudt beviser på en uventet ny, diffraktionsfri lysform. Den såkaldte Bessel-bjælke er nu meget brugt.

Læs undersøgelsen fra 1986, "Diffraktionsfrie stråler"

"Det var årtier siden nogen formulerede en ny type stråle, " siger Parker. "Så, så snart Bessel-strålen blev annonceret, folk tænkte, at der kunne være andre nye bjælker derude. Løbet var i gang.

"At finde et nyt strålemønster er ligesom at finde et nyt element. Det sker ikke særlig tit."