Ny vandbaseret optisk enhed revolutionerer området for optikforskning

Lys er alsidig i naturen. Med andre ord, det viser forskellige egenskaber, når man rejser gennem forskellige typer materialer. Denne ejendom er blevet udforsket med forskellige teknologier, men den måde, hvorpå lys interagerer med materialer, skal manipuleres for at få den ønskede effekt. Dette gøres ved hjælp af specielle enheder kaldet lysmodulatorer, som har evnen til at ændre lysets egenskaber.

En sådan ejendom, kaldet Pockels-effekten, ses, når et elektrisk felt påføres mediet, som lyset bevæger sig igennem. Normalt, lyset bøjes, når det rammer et hvilket som helst medium, men under Pockels-effekten, mediets brydningsindeks (et mål for hvor meget lyset bøjer) ændres proportionalt med det påførte elektriske felt. Denne effekt har applikationer i optisk teknik, optisk kommunikation, displays og elektriske sensorer. Men, præcis hvordan denne effekt opstår i forskellige materialer er ikke klart, gør det svært at udforske potentialet fuldt ud.

I et gennembrud undersøgelse offentliggjort i OSA kontinuum , et team af videnskabsmænd ledet af prof Eiji Tokunaga ved Tokyo University of Science kastede lys over mekanismen bag Pockels-effekten i en ny type lysmodulator. Indtil for nylig, denne effekt var kun blevet observeret i en speciel type krystal, som er dyrt og derfor svært at bruge. For 12 år siden, Prof Tokunaga og hans team observerede denne effekt for første gang i det øverste lag (også kaldet grænsefladelaget) af vand, når det er i kontakt med en elektrode. Effekten observeres ikke i hovedparten af ​​vand.

Selvom Pockels-koefficienten (et mål for Pockels-effekten) var en størrelsesorden større, en meget følsom detektor var påkrævet, fordi effekten kun blev genereret i det tynde grænsefladelag. Derudover selv dens mekanisme var ikke klart forstået, komplicerer processen yderligere. Prof Tokunaga og hans team ønskede at finde en løsning, og efter mange prøvelser, det lykkedes dem endelig. Diskuterer hans motivation for undersøgelsen, Prof Tokunaga siger, "Det er svært at måle det elektro-optiske signal med vand som medium, fordi det kun forekommer i et tyndt lag. Derfor vi ønskede at finde en måde at udtrække et stort signal fra mediet, som ikke ville kræve højfølsomme målinger og ville være lettere at bruge."

At gøre dette, forskerne skabte et setup med en gennemsigtig elektrode på en glasoverflade i vand, og et elektrisk felt blev påført den. Interfaciallaget (også kaldet det elektriske dobbeltlag, eller EDL) er kun et par nanometer tyk og har andre elektrokemiske egenskaber end resten af ​​vandet. Det er også den eneste del af vandet, hvor Pockels-effekten kan observeres under et elektrisk felt. Forskerne brugte konceptet total refleksion til at skabe en stor vinkel ved grænsefladen mellem vand og elektrode. De observerede, at når lys bevæger sig gennem elektroden og kommer ind i EDL, ændringer i brydningsindekset for begge lag kan ændre det reflekterede signal.

Da brydningsindekset i den transparente elektrode er større end for både vand og glas (1,33 og 1,52, henholdsvis), mængden af ​​lys, der reflekteres i begge ender, øges, derved forårsager en mere forstærket Pockels-effekt. Dette var vigtigt, fordi en stor, mere forbedret signal ville betyde, at selv lavfølsomme enheder kunne bruges til at måle det. I øvrigt, fordi den eksperimentelle opsætning ikke er kompleks, kun består af en gennemsigtig elektrode dyppet i vand indeholdende elektrolytter, denne metode er meget nemmere at bruge. For ikke at nævne, vand er et billigt medium, resulterer i en samlet proces med lave omkostninger. Udarbejde disse fund, Prof Tokunaga siger, "Gennem vores teknik, vi observerede lysmodulation med en maksimal intensitetsændring på 50 procent proportionel med den påførte AC -spænding. "

Opmuntret af disse observationer, Prof Tokunaga og hans team ønskede at verificere disse resultater ved hjælp af matematiske beregninger. De blev overraskede over at opdage, at de teoretiske beregninger matchede de eksperimentelle resultater. I øvrigt, de observerede, at teoretisk, en 100 procent lysintensitetsmodulation kunne opnås, hvilket var spændende, fordi det bekræftede deres fund. Prof Tokunaga siger, "Resultaterne var overraskende, men det var endnu mere overraskende, da vores teoretiske analyse viste, at de kunne forklares perfekt med eksisterende optisk viden. Resultaterne af denne forskning har ikke kun anvendelighed til unikke lysmodulationselementer og grænsefladesensorer ved hjælp af vand, men det opdagede forbedringsprincip åbner muligheden for at bruge enhver grænseflade, der eksisterer universelt."

Denne nye metode til at modulere lys fungerer som et bedre alternativ til eksisterende, især på grund af fordele som lave omkostninger og lettere detektering. Prof Tokunaga og hans team mener, at ved at afdække nye mekanismer for lysmodulation, deres undersøgelse vil åbne døre for mere avanceret forskning på dette område. Prof Tokunaga siger, "Vores unikke lysmodulationsteknologi er uden fortilfælde og har mange mulige anvendelser, fordi den viser en generel måde at udtrække et stort Pockels-signal fra en universelt eksisterende grænseflade. Derudover, vi håber, at vores undersøgelse vil afføde et nyt forskningsområde inden for optik, derved revolutionerer feltet."