Ny enhed udvider lysstråler med 400 gange, udvidelse af muligheder inden for videnskab og teknologi

Ved at bruge lysbølger i stedet for elektrisk strøm til at overføre data, fotoniske chips - kredsløb til lys - har avanceret grundforskning på mange områder fra tidtagning til telekommunikation. Men for mange applikationer, de smalle lysstråler, der krydser disse kredsløb, skal udvides betydeligt for at kunne forbinde med større, off-chip systemer. Bredere lysstråler kan øge hastigheden og følsomheden af ​​medicinsk billeddannelse og diagnostiske procedurer, sikkerhedssystemer, der registrerer spormængder af giftige eller flygtige kemikalier og enheder, der er afhængige af analyse af store grupper af atomer.

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har nu udviklet en yderst effektiv omformer, der forstørrer diameteren af ​​en lysstråle med 400 gange. NIST -fysiker Vladimir Aksyuk og hans kolleger, herunder forskere fra University of Maryland NanoCenter i College Park, Maryland, og Texas Tech University i Lubbock, beskrev deres arbejde i journalen Lys:Videnskab og applikationer .

Konverteren udvider tværsnittet, eller område af strålen, i to på hinanden følgende faser. I første omgang, lyset bevæger sig langs en optisk bølgeleder - en tynd, gennemsigtig kanal, hvis optiske egenskaber begrænser strålediameteren til et par hundrede nanometer, mindre end en tusindedel af den gennemsnitlige diameter af et menneskehår. Fordi bølgelederkanalen er så smal, noget af det bevægende lys strækker sig udad ud over bølgelederens kanter. Udnytter denne udvidelse, holdet placerede en rektangulær plade sammensat af det samme materiale som bølgelederen en lille, nøjagtigt målt afstand fra bølgelederen. Lyset kan springe hen over det lille mellemrum mellem de to komponenter og gradvist lække ind i pladen.

Pladen bevarer lysets smalle bredde i den lodrette (top-til-bund) dimension, men det giver ingen sådanne begrænsninger for den laterale, eller sidelæns, dimension. Efterhånden som kløften mellem bølgelederen og pladen gradvist ændres, lyset i pladen danner en præcist rettet stråle 400 gange bredere end den originale stråles cirka 300 nm diameter.

I anden fase af udvidelsen, som forstørrer lysets lodrette dimension, bjælken, der bevæger sig gennem pladen, støder på et diffraktionsgitter. Denne optiske enhed har periodiske kendelser eller linjer, hver af dem spreder lys. Teamet designede dybden og afstanden mellem kendelser til at variere, så lysbølgerne kombineres, danner en enkelt bred stråle rettet i næsten en ret vinkel til chipens overflade.

Vigtigere, lyset forbliver kollimeret, eller præcist parallelt, gennem to-trins ekspansionsprocessen, så den forbliver på målet og ikke spredes. Arealet af den kollimerede stråle er nu stort nok til at tilbagelægge den lange afstand, der er nødvendig for at undersøge de optiske egenskaber ved store diffuse grupperinger af atomer.

Arbejde med et team ledet af John Kitching fra NIST i Boulder, Colorado, forskerne har allerede brugt totrinsomformeren til med succes at analysere egenskaberne for omkring 100 millioner gasformige rubidiumatomer, da de sprang fra et energiniveau til et andet. Det er et vigtigt proof-of-concept, fordi enheder baseret på interaktioner mellem lys og atomgasser kan måle mængder som tid, længde og magnetfelter og har applikationer i navigation, kommunikation og medicin.

"Atomer bevæger sig meget hurtigt, og hvis strålen, der overvåger dem, er for lille, de bevæger sig ind og ud af strålen så hurtigt, at det bliver svært at måle dem, "sagde Kitching." Med store laserstråler, atomer forbliver i strålen længere og giver mulighed for mere præcis måling af atomegenskaberne, "tilføjede han. Sådanne målinger kan føre til forbedrede bølgelængde- og tidsstandarder.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.