Waveguide array transporterer lys uden forvrængning

En af udfordringerne ved optisk mikroskopi er løbende at øge billeddannelseskraften, eller opløsning. I de sidste tre hundrede år, videnskabsmænd har bygget stadigt bedre mikroskoper. Grænsen, i lang tid, blev kun bestemt af to faktorer:kontrasten af ​​det objekt, der blev set, og optikkens opløsningsevne i mikroskopet. De sidste 50 år, i særdeleshed, har ført til en eksplosion i teknikker til at forbedre både objektets kontrast og kvaliteten af ​​optikken.

En sådan teknologi kaldes en superlinse. Superlinsen gør brug af nogle af bølgernes ejendommeligheder for at kunne løse detaljer, som ellers ville være skjult. Nu, forskere fra Nanjing University i Kina har offentliggjort resultater om et bølgelederarray, der giver mange af fordelene ved en superlinse. Sammen med det bølgelederarrayet har ikke de teknologiske vanskeligheder, som normalt er forbundet med superlinsefremstilling.

Det objektiv er super

For at forstå superlinsen, det hjælper at forstå, hvordan et billede dannes. Lad os begynde med noget i retning af hovedet på en nål mod en kendetegnet baggrund. Når der skinner lys på stiften, den spreder sig i alle retninger. Billedets detaljer holdes i den intensitet og retning, som lyset spredes. Imidlertid, linser har en begrænset størrelse, begrænse mængden af ​​opfanget lys. Billedet, der rekonstrueres ud fra lyset optaget af linsen, vil ikke have detaljerne båret af lyset, der aldrig nåede linsen. Vores billede er uperfekt.

For de fineste funktioner, der er ingen vinkel, hvor en linse kan fange lyset, fordi lyset ikke rejser. I stedet, bølgen dør hurtigt (eksponentielt), og inden for få bølgelængder, intensiteten er meget tæt på nul. En linse, med en arbejdsafstand, der er typisk for et mikroskop, vil ikke fange disse såkaldte flygtige bølger.

En superlinse er designet til at fange disse detaljeholdende flygtige bølger. For at muliggøre det, linsen skal være konstrueret af et metamateriale, der har et negativt brydningsindeks (normale materialer har et positivt brydningsindeks). Imidlertid, metamaterialer er ikke nemme at lave, og fungerer ikke godt. Det meste af lyset, der rammer en superlinse, reflekteres fra den, mens internt, de stoffer, der bruges til at skabe metamaterialet, absorberer meget lys. Derfor, objektivet fanger fine detaljer, men billedkontrasten er dårlig.

Det er her sangens og kollegernes arbejde kommer i spil. Deres linse består af en række bølgeledere, der er placeret meget tæt på hinanden. Hver bølgeleder fanger lys lige foran bølgelederåbningen. Lyset transporteres til den anden ende af bølgelederarrayet, hvor det bruges til (i princippet) at genskabe et billede.

Bølgeleder flow kontrol

Tætsiddende bølgeledere transporterer ikke billeder. Når bølgeledere er tæt på hinanden, lyset strømmer fra en bølgeleder til en anden. Et billede vil blive fuldstændig randomiseret, hvis det transporteres i et tæt array af bølgeledere.

For at komme uden om dette problem, forskerne udnyttede, hvordan koblingen mellem bølgelederne fungerer. I lige parallelle bølgeledere, koblingen mellem arrays kan repræsenteres ved et fast positivt tal. Dette tal angiver den brøkdel af lys, der bytter bølgeledere som en funktion af afstanden. Imidlertid, hvis bølgelederne er parallelle, men bugter sig på en bølgelignende måde, så kan koblingen være negativ.

For at være mere konkret:forestil dig to bølgeledere, der er tæt sammen og lige. Lys kommer ind i den ene bølgeleder og spreder sig til den anden med en hastighed givet af koblingskonstanten. Lyset går så ind i bugten, som har en koblingskoefficient, der har samme størrelse, men er negativ. Dette afsnit fortryder spredningen nøjagtigt, så alt lys forlader den samme bølgeleder, som det kom ind i.

Forskerne demonstrerede denne effekt med en række af 13 bølgeledere. De viste, at lys konsekvent ville forlade bølgelederen, det var koblet til, trods kraftig opblanding i den lige sektion.

Dette er kun begyndelsen på historien. Billeder kan opbygges ved at scanne bølgelederarrayet. Opløsningen kan øges yderligere ved at gøre bølgeledernes blænde mindre.

Den demonstrerede struktur har andre anvendelser. Integrerede optiske kredsløb til databehandling og kommunikation er, sammenlignet med elektroniske systemer, stor. Afstanden er dikteret af behovet for at kontrollere koblingen mellem nabobølgeledere. Denne forskning viser, hvordan man har højdensitetsbølgeledere uden uønsket kobling. Til sidst, der kunne finde anvendelser mere udbredte end højopløsningsbilleddannelse.