Velformet lidelse til alsidige lysteknologier

Fra mikroskoper til dataoverførsel via optiske fibre hele vejen til moderne kvanteteknologier, lys spiller en vigtig rolle i videnskab og industri. Særligt metoder til at ændre lysets farve - og dermed frekvensen og bølgelængden - er af stor betydning i moderne applikationer. Disse metoder kræver brug af ikke-lineære krystaller. I sådanne krystaller, to fotoner med en bestemt frekvens kan, for eksempel, blive omdannet til én foton, der har den dobbelte frekvens – f.eks. to røde til en enkelt blå.

For at det skal virke, imidlertid, lyset skal typisk ramme krystallen i en bestemt retning og med en bestemt polarisering. Denne såkaldte fasetilpasning begrænser ofte i høj grad praktiske anvendelser. Et team af forskere ledet af ETH-professor Rachel Grange ved Institute for Quantum Electronics, sammen med gruppen af ​​Lucio Isa ved Institut for Materialer, har nu udviklet en metode, hvorved effektiv frekvensfordobling kan opnås uden en sådan finjustering, og som også har andre fordele i forhold til konventionelle metoder.

Tilsyneladende uforenelige tilgange

Forskernes opskrift kan groft sammenfattes således:Hellere lille end stor, og rod er bedre end orden. Det lyder mystisk, men den opgave, som Granges team havde stillet sig selv, var en lige så stor gåde:"For en bedre og mere udbredt anvendelig frekvensfordobling, vi ønskede at kombinere to tilgange, der ikke rigtig passer sammen, " siger Romolo Savo, der ledede projektet som postdoc inden for rammerne af et Marie-Skłodowska-Curie-stipendium.

I den første tilgang, i stedet for en enkelt stor krystal bruger man en samling af masser af minikrystaller, hvis individuelle krystalakser peger i tilfældige retninger. På den måde, det er ikke længere nødvendigt strengt at kontrollere retningerne af de indkommende lysstråler. Blandt de mange minikrystaller vil der være nogle, der er orienteret positivt og nogle, der er orienteret ugunstigt, men samlet set vil de altid producere en betydelig mængde frekvens-doblet lys. "Det lyder kontraintuitivt, " Savo indrømmer, "og nogle af vores kolleger var virkelig forundrede over ideen om at bruge uorden på den måde - men det virker!"

Den anden tilgang er baseret på den forstærkende virkning af resonanser. Hvis samlingen af ​​minikrystaller er sfærisk, for eksempel, med en diameter omtrent lig med lysets bølgelængde, intensiteten inde i kuglen øges mangfoldigt ved gentagen refleksion af lysbølgerne fra kuglens vægge, og dermed også udbyttet af frekvens fordoblet lys. Derfor, for at udnytte begge effekter optimalt på samme tid ønskede forskerne at støbe et uordnet krystallinsk pulver til kugler på størrelse med mikrometer for at udnytte lysets resonansforstærkning. De individuelle bariumtitanatkrystaller, de havde til hensigt at bruge til det formål, skulle være meget små, kun omkring 50 nanometer i størrelse, så de var gennemsigtige nok til at tillade lys at passere igennem dem mange gange og dermed skabe resonanser i mikrosfærerne.

Et tip i kaffepausen

"Så, vi havde denne gode idé, men ingen anelse om, hvordan man forvandler de mange små nanokrystaller til perfekte mikrosfærer, " siger Savo. "Så, en dag, vi mødte Lucio Isa i kaffepausen og fortalte ham om vores problem - og han havde en idé til os lige der." Isas forslag var at opløse nanokrystalpulveret i vand, bland opløsningen med olie, og ryst til sidst alt kraftigt - på samme måde som man ville gøre med en vinaigrette lavet af eddike og olie. Inde i emulsionen skabt af denne proces, der dannes små bobler af vandkrystalopløsningen, hvorfra vandet gradvist fordamper gennem olien. Til sidst, lille bitte, perfekt formede kugler af uordnede nanokrystaller forbliver, hvilket er præcis, hvad Grange og hendes samarbejdspartnere var ude efter. "Fra det tip, samarbejdet med Isas gruppe startede, " siger Grange:"I øvrigt, sådanne spontane samarbejder, som ikke er planlagt på forhånd, er ofte de mest frugtbare. Selvfølgelig, vi prøvede straks Isas opskrift."

Alsidighed plus materialebesparelser

Og opskriften virkede - endnu bedre end man kunne forvente. "Frekvensfordoblingen med de bittesmå kugler lavet af uordnede nanokrystaller fungerer uafhængigt af retningen af ​​det indkommende lys samt over en lang række frekvenser. Dette gør den meget mere alsidig end frekvensfordobling med konventionelle krystaller, " forklarer Savo. Oven i det, forskerne opnåede det samme udbytte af frekvensfordoblet lys ved at bruge 70 % mindre materiale. I modsætning til almindelige krystaller, for hvilket lysudbyttet holder op med at vokse ud over en vis størrelse, den fortsatte med at stige med mikrosfærernes volumen.

Højkvalitets laserkrystaller fra pulver

Grange og hendes kolleger ønsker nu at forbedre deres metode yderligere, for eksempel ved at tilføje et afstandsstykke mellem mikrokuglerne og det objektglas, som de hviler på. Dette bør minimere lystab. Forskerne er også begyndt at tænke over mulige anvendelser. Udsigten til at producere højtydende ikke-lineære krystaller fra et simpelt og billigt nanokrystalpulver er interessant for laserteknologier generelt. Også, det er muligt at sprede mikrosfærerne over store områder. Dette kan føre til produktionen af ​​en ny type skærm, der direkte konverterer billeder i det infrarøde område til synlige billeder ved frekvensfordobling. Sådanne skærme kunne derefter bruges i kameraer til sikkerheds- og life-science-applikationer.