Enklere interferometer kan finjustere selv de hurtigste lysimpulser

Hvis du vil have størst udbytte af en lysstråle - uanset om du vil opdage en fjern planet eller afhjælpe en aberration i det menneskelige øje - skal du være i stand til at måle dens strålefrontinformation.

Nu har et forskerhold fra University of Rochester udtænkt en meget enklere måde at måle lysstråler - endda kraftfulde, superhurtige pulserende laserstråler, der kræver meget komplicerede enheder til at karakterisere deres egenskaber.

Den nye enhed vil give forskere en hidtil uset evne til at finjustere selv de hurtigste lysimpulser til en lang række applikationer, siger Chunlei Guo, professor i optik, der har brugt femtosekund pulserende laserstråler til at behandle metaloverflader på bemærkelsesværdige måder. Og det kunne gøre traditionelle instrumenter til måling af lysstråler forældede.

"Dette er et revolutionerende skridt fremad, "siger Guo." Tidligere har vi været nødt til at karakterisere lysstråler med meget kompliceret, besværlige interferometriske enheder, men nu kan vi gøre det med kun en optisk terning. Den er super kompakt, super pålidelig, og super robust. "

Enheden, udviklet af Guo og Billy Lam, en ph.d. studerende i sit laboratorium, er beskrevet i Nature Light:Videnskab og applikationer . Kaldes et kilet reverseringsskærinterferometer, den består af en prisme -terning, sammensat af to retvinklede prismer.

-Kuben har to vinklede indgange og deler bjælken i to dele.

Når strålen forlader terningen, det reflekterede lys fra den venstre del af strålen og det transmitterede lys fra den højre del af strålen udsendes fra den ene side af terningen. Omvendt det transmitterede lys fra venstre del af strålen og reflekteret lys fra den højre del udsendes fra en anden side af terningen.

Dette skaber et ekstremt stabilt "interferens" -mønster for Guo og hans team til at måle alle de centrale rumlige egenskaber ved en lysstråle- dens amplitude, fase, polarisering, bølgelængde, og, i tilfælde af pulserede stråler, pulsenes varighed. Og ikke bare som et gennemsnit langs hele strålen, men på hvert punkt i bjælken.

Dette er især vigtigt i billeddannelsesprogrammer, Siger Guo. "Hvis en stråle ikke er perfekt, og der er en defekt på billedet, det er vigtigt at vide, at defekten skyldes strålen, og ikke på grund af en variation i det objekt, du forestiller dig, "Siger Guo.

"Ideelt set du skal have en perfekt stråle til billedbehandling. Og hvis du ikke gør det, du ved det bedre, og så kan du rette dine målinger. Ultrahurtige lasere er nøglen til registrering af dynamiske processer, og at have en ekstremt enkel, men robust enhed til at karakterisere ultrahurtig eller enhver form for laserstråler er helt sikkert vigtig. "

Albert Michaelson demonstrerede det første interferometer i 1880'erne, ved hjælp af en bjælkesplitter og to spejle. Grundprincipperne forbliver de samme i interferometre, der bruges i dag.

Stråledeleren sender det splittede lys på forskellige optiske veje mod spejlene. Spejlene afspejler derefter hver splittede stråle tilbage, så de rekombineres ved stråledeler. De forskellige veje taget af de to splitstråler forårsager en faseforskel, som skaber et interferensfrynsemønster. Dette mønster analyseres derefter af en detektor for at evaluere bølgeegenskaberne.

Denne fremgangsmåde har fungeret rimelig godt til karakterisering af kontinuerlige bølgelaserstråler, fordi de har en lang "sammenhæng" -tid, tillade dem at blande sig, selv efter at de blev splittet, sendt ad to stier i forskellige længder, og derefter rekombineret, Siger Guo.

Imidlertid, i betragtning af den korte varighed af en femtosekund pulserende laserstråle - cirka en milliontedel af en milliarddel af et sekund - Enkel interferometer som forskydningspladen, hvor strålerne, der reflekteres fra for- og bagsiden, forstyrrer, virker ikke længere. "siger Guo. Femtosekunds pulserende laserstråler ville hurtigt miste deres sammenhæng langs ikke-ækvivalente veje i et typisk interferometer.

Prisme -terningen er designet på en sådan måde at eliminere det problem, han siger. Prisme -terningen er det første enkeltelementinterferometer, der kan karakterisere femtosekund eller endda kortere laserpulser.

Femtosekund laserpulser giver to fordele. Deres utroligt korte varighed kan sammenlignes med de tidsskalaer, hvor "meget mange grundlæggende processer i naturen sker, "Siger Guo. Disse processer omfatter en elektron, der bevæger sig rundt om et atomkerne, "gitter" vibration af atomer og molekyler, og udfoldelse af biologiske proteiner. Så, femtosekund sidste pulser giver forskere et værktøj til at studere og manipulere disse processer.

Femtosekund laserpulser er også utroligt kraftfulde. "Topeffekten af ​​en femtosekund laserpuls i mit laboratorium svarer til hele det nordamerikanske elnet, "Siger Guo. Det gør sit laboratorium i stand til at bruge laserpulserne til at ætsje metaloverflader med nye egenskaber, så de bliver super vandafvisende eller vandtrækkende.