Skulpturering af superhurtige lysimpulser:Nanopillarer former lyset præcist til praktiske anvendelser

Forestil dig at kunne forme en lyspuls på enhver tænkelig måde - komprimere den, strækker det, dele det i to, ændre dens intensitet eller ændre retningen af ​​dets elektriske felt.

Det er vigtigt at kontrollere egenskaberne for ultrahurtige lyspulser for at sende information gennem højhastighedsoptiske kredsløb og i sonderende atomer og molekyler, der vibrerer tusinder af billioner gange i sekundet. Men standardmetoden til pulsformning - ved hjælp af enheder kendt som rumlige lysmodulatorer - er dyr, omfangsrig og mangler den fine kontrol, forskere i stigende grad har brug for. Ud over, disse enheder er typisk baseret på flydende krystaller, der kan blive beskadiget af de samme pulser af højintensitets laserlys, som de var designet til at forme.

Nu har forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) og University of Marylands NanoCenter i College Park udviklet en ny og kompakt metode til at forme lys. De lagde først et lag ultratyndt silicium på glas, bare et par hundrede nanometer (milliarder af en meter) tyk, og dækkede derefter en række millioner af små firkanter af silicium med et beskyttende materiale. Ved at radse silicium, der omgiver hver firkant, væk holdet skabte millioner af små søjler, som spillede en central rolle i lysskulpturteknikken.

Lejligheden, ultratynd enhed er et eksempel på en metasurface, som bruges til at ændre egenskaberne ved en lysbølge, der bevæger sig igennem den. Ved omhyggeligt at designe formen, størrelse, tæthed og fordeling af nanopillerne, flere egenskaber ved hver lyspuls kan nu skræddersyes samtidigt og uafhængigt med nanoskala præcision. Disse egenskaber omfatter amplituden, fase og polarisering af bølgen.

En lysbølge, et sæt oscillerende elektriske og magnetiske felter orienteret i rette vinkler til hinanden, har toppe og trug, der ligner en havbølge. Hvis du står i havet, bølgens frekvens er, hvor ofte tinderne eller trugene bevæger sig forbi dig, amplituden er bølgernes højde (ned til top), og fasen er, hvor du er i forhold til toppe og trug.

"Vi fandt ud af, hvordan vi uafhængigt og samtidigt manipulerer fasen og amplituden for hver frekvenskomponent i en ultrahurtig laserpuls, "sagde Amit Agrawal, af NIST og NanoCenter. "For at opnå dette, vi brugte omhyggeligt designet sæt silicium nanopiller, en for hver indholdsfarve i pulsen, og en integreret polarisator fremstillet på bagsiden af ​​enheden. "

Når en lysbølge bevæger sig gennem et sæt silicium -nanopiller, bølgen sænkes i forhold til dens hastighed i luft, og dens fase er forsinket - det øjeblik, hvor bølgen når sin næste top, er lidt senere end det tidspunkt, hvor bølgen ville have nået sin næste top i luft. Størrelsen af ​​nanopillerne bestemmer mængden, hvormed fasen ændres, der henviser til, at nanopillernes orientering ændrer lysbølgens polarisering. Når en enhed kendt som en polarisator er fastgjort til bagsiden af ​​silicium, ændringen i polarisering kan oversættes til en tilsvarende ændring i amplitude.

Ændring af fasen, amplitude eller polarisering af en lysbølge på en meget kontrolleret måde kan bruges til at kode information. Den hurtige, finjusterede ændringer kan også bruges til at studere og ændre resultatet af kemiske eller biologiske processer. For eksempel, ændringer i en indkommende lyspuls kan øge eller reducere produktet af en kemisk reaktion. På disse måder, nanopillar-metoden lover at åbne nye udsigter i undersøgelsen af ​​ultrahurtige fænomener og højhastighedskommunikation.

Agrawal, sammen med Henri Lezec fra NIST og deres samarbejdspartnere, beskrive fundene online i dag i journalen Videnskab .

"Vi ønskede at udvide metasurfaces indflydelse ud over deres typiske anvendelse - ændre formen på en optisk bølgefront rumligt - og bruge dem i stedet til at ændre, hvordan lyspulsen varierer i tid, "sagde Lezec.

En typisk ultrahurtig laserlyspuls varer kun et par femtosekunder, eller en tusindedel af en billioner af et sekund, for kort til, at en enhed kan forme lyset på et bestemt tidspunkt. I stedet, Agrawal, Lezec og deres kolleger udarbejdede en strategi for at forme de individuelle frekvenskomponenter eller farver, der udgør pulsen, ved først at adskille lyset i disse komponenter med en optisk enhed kaldet et diffraktionsgitter.

Hver farve har en anden intensitet eller amplitude - på samme måde som en musikalsk overton er sammensat af mange individuelle toner, der har forskellige mængder. Når den ledes ind i den nanopillar-ætsede siliciumoverflade, forskellige frekvenskomponenter ramte forskellige sæt nanopiller. Hvert sæt nanopiller blev skræddersyet til at ændre fasen, intensitet eller elektrisk feltorientering (polarisering) af komponenter på en bestemt måde. Et andet diffraktionsgitter rekombinerede derefter alle komponenterne for at skabe den nyformede puls.

Forskerne designet deres nanopillar system til at arbejde med ultrahurtige lysimpulser (10 femtosekunder eller mindre, svarende til en hundrededel af en billioner af et sekund) sammensat af en lang række frekvenskomponenter, der spænder over bølgelængder fra 700 nanometer (synligt rødt lys) til 900 nanometer (nær-infrarød). Ved samtidig og uafhængigt at ændre amplituden og fasen af ​​disse frekvenskomponenter, forskerne demonstrerede, at deres metode kunne komprimere, opdele og forvrænge pulser på en kontrollerbar måde.

Yderligere forfininger i enheden vil give forskere yderligere kontrol over udviklingen af ​​lysimpulser og kan muliggøre forskere til i detaljer at udforme individuelle linjer i en frekvenskam, et præcist værktøj til måling af lysets frekvenser, der bruges i sådanne enheder som atomure og til at identificere planeter omkring fjerne stjerner.