Forskere skaber ny teknik til at manipulere polarisering af terahertz-stråling

Brown University-forskere har udviklet en ny metode til at manipulere lysets polarisering ved terahertz-frekvenser.

Teknikken bruger stakke af omhyggeligt adskilte metalplader til at lave en polariserende stråledeler, en enhed, der opdeler en lysstråle ved dens forskellige polarisationstilstande, sender vertikalt polariseret lys i én retning og vandret polariseret lys i en anden. En sådan stråledeler kan være nyttig i en lang række systemer, der gør brug af terahertz-stråling, fra billedbehandlingssystemer til fremtidige kommunikationsnetværk.

I billedverdenen, evnen til at levere og detektere stråling ved forskellige polarisationer kunne være nyttig i terahertz-mikroskopi og materialekarakterisering. I kommunikation, polariserede stråler kan gøre det muligt at sende flere datastrømme ned ad det samme medium uden interferens.

"Denne stak-af-plade-idé har fordele i forhold til traditionelle metoder til at manipulere polarisering i terahertz-regionen, " sagde Dan Mittleman, en professor ved Brown's School of Engineering og seniorforfatter til et forskningspapir, der beskriver arbejdet i tidsskriftet Videnskabelige rapporter . "Det er billigere og fysisk mere robust end andre metoder, og det er mere alsidigt, hvad det giver os mulighed for."

Rajind Mendis, en forskningsassistent ved Brown, ledet arbejdet sammen med Mittleman, Brown kandidatstuderende Wei Zhang og Masaya Nagai, en lektor ved Osaka University i Japan.

Terahertz-området er skåret af det elektromagnetiske spektrum mellem mikrobølge- og infrarøde frekvenser. Brug af terahertz-bølger i teknologiske anvendelser såsom spektroskopi, sansning, billedbehandling og kommunikation med ultrahøj båndbredde vokser, og forskere arbejder på at udvikle de hardwarekomponenter, der er nødvendige for at bygge disse avancerede terahertz-systemer.

Polarisering refererer til orienteringen af ​​en elektromagnetisk bølges toppe og dale, når bølgen forplanter sig. Hvis en bølge breder sig mod dig, tinder og dale kan orienteres lodret, vandret eller hvor som helst midt imellem.

"Polarisering er en af ​​nøgleegenskaberne ved enhver elektromagnetisk bølge, " sagde Mittleman. "At være i stand til at manipulere polarisering - at måle den eller at ændre den - er en af ​​de vigtige egenskaber, du har brug for i ethvert elektromagnetisk system."

I det synlige lysrige, for eksempel, manipulerende polarisering bruges til at skabe moderne 3D-film og til at lave solbriller, der reducerer genskin fra reflekteret lys. Polariserende solbriller er lavet ved at arrangere polymerstrenge vandret inden i linser som stænger på en fængselscelle. Disse tråde tillader lys, der er polariseret lodret, at passere igennem, mens du blokerer vandret polariseret lys, som er den dominerende polarisationstilstand af lys, der reflekteres fra skinnende overflader som biler og vand.

Eksisterende metoder til at manipulere polarisering i terahertz-området er meget lig den teknik, der bruges til polariserende solbriller, omend skaleret til de meget længere bølgelængder af terahertz-lys sammenlignet med synligt lys. Polariserende filtre til terahertz er generelt et array af metaltråde på få mikrometer i diameter og adskilt med flere mikrometer.

Den nye teknik, som Brown og Osaka-teamet udviklede, erstatter ledningerne med en stak af tæt anbragte stålplader. Hvert par plader danner det, der er kendt som en parallelplade-bølgeleder. Når terahertz lys skinner på stakken i en 45 graders vinkel, den opdeler strålen ved at excitere to bølgeledertilstande. En stråle af lodret polariseret lys passerer lige gennem enheden, mens en anden stråle af vandret polariseret lys reflekteres i en 90-graders vinkel fra den oprindelige stråleakse.

Teknikken har en række fordele i forhold til traditionelle trådfiltre, siger forskerne. Arkitekturen med plader, som er kendt som et "kunstigt dielektrikum, "er let at lave, og materialerne er billige. Pladerne er også meget mindre skrøbelige end ledninger.

"Det kunstige-dielektriske koncept gør også enheden mere alsidig, Mendis sagde. "Enheden kan nemt indstilles til brug ved forskellige terahertz-frekvenser blot ved at ændre størrelsen på afstandsstykkerne, der adskiller pladerne eller ved at ændre belysningsvinklen."

En anden fordel er, at med tilføjelsen af ​​en anden lignende kunstig-dielektrisk struktur, forskerne var i stand til at bygge en enhed kaldet en isolator. Isolatorer bruges på kraftige lasere for at forhindre lys i at blive reflekteret tilbage til en laseremitter, som kan destabilisere eller endda beskadige det. En terahertz-isolator kan være en vigtig komponent til fremtidige høj-powered terahertz-enheder.

Brown og Osaka-teamet er i gang med at patentere de nye kunstige-dielektriske enheder, og forskerne håber på, at disse enheder vil muliggøre udviklingen af ​​nye terahertz-systemer med langt bedre muligheder.

"I alt hvad du måtte ønske at gøre med et optisk system, det er nyttigt at kunne manipulere polarisering, " sagde Mittleman. "Dette er en simpel, effektiv, effektiv og alsidig måde at gøre det på."