Terahertz spatiotemporal bølgesyntese i tilfældige systemer

Et forskerhold har udviklet en ny teknik, der muliggør præcis spatiotemporal kontrol af terahertz-bølger, når de passerer gennem uordnede materialer.

Metoden, offentliggjort i ACS Photonics , kunne føre til fremskridt inden for medicinsk billedbehandling, kommunikation og andre applikationer, der er afhængige af bredbånds-terahertz-impulser. Forskningen blev udført som en del af EU's ERC-projekt TIMING, og holdet omfattede medlemmer af Loughboroughs Emergent Photonics Research Center i samarbejde med Prof Jacopo Bertolotti fra Exeter University.

Inden for optikkens område har den traditionelle opfattelse længe set uordnede systemer – som at se gennem matteret glas – som en grænse for klarhed. På samme måde som tåge, en uordnet fordeling af vandpartikler, spreder lys og slører vores syn, spreder disse materialer lys på uforudsigelige måder. Men denne nye undersøgelse viser, at vi kan udnytte denne spredning til vores fordel.

En mere moderne tilgang, der skildrer disse objekter som "komplekse medier", afslører en slående anderledes fortælling. Nøglen ligger i at forstå, at selvom informationen faktisk er forvrænget i disse systemer, går den ikke uigenkaldeligt tabt, og at denne forvrængning kan bruges til at manipulere selve lyset.

Terahertz-bølger er en form for elektromagnetisk stråling af bølgelængde, der ligger mellem mikrobølger og infrarødt lys. De repræsenterer broen mellem elektronik og fotonik, hvilket gør dem bemærkelsesværdigt vanskelige at generere, opdage og manipulere. Alligevel er de meget eftertragtede og unikke, da terahertz-bølger kan trænge igennem materialer som tøj, papir og plastik og giver klare billeder uden røntgenstrålens ioniserende skade, og de kan bære exceptionelt højtydende kommunikationsforbindelser.

Imidlertid bliver terahertz-bølger forvrænget, når de udbreder sig gennem komplekse strukturer som noget biologisk væv eller teknologiske strukturer. Faktisk er billeddannelse gennem komplekse medier en udfordring, men også en mulighed.

I denne undersøgelse brugte forskerne en særlig slags ultrahurtig laser, kendt for sine ekstremt korte pulser, til at skabe mønstre af terahertz-impulser (af varighed af nogle få picosekunder).

Da disse mønstre interagerede med komplekst spredningsmateriale, manipulerede forskerne laserens belysning ved at anvende en specialdesignet genetisk algoritme, der efterligner processen med naturlig evolution for at løse komplekse problemer.

Som et resultat fik de kontrol over den måde, terahertz-bølger fordeler sig på i rummet og udvikler sig i tid efter materiale. På en måde genkomponerer dette kontrolniveau stykker af bølgen, der er forvrænget af spredningen, i en ny form med ønskede mønstre og farver.

"Det er bemærkelsesværdigt, at komplekse medier fungerer som sofistikerede enheder, der manipulerer terahertz-bølger på måder, der er ude af rækkevidde inden for faget, og alligevel er de faktisk meget tilgængelige tilfældige samlinger af partikler," sagde Dr. Vittorio Cecconi, hovedforsker i undersøgelsen. Han fortsætter:"Dette åbner op for nye muligheder for at udnytte terahertz-bølger i billeddannelses- og registreringsapplikationer, hvor spredning er et problem."

Selvom denne tilgang har tværfaglige konsekvenser, er den ved terahertz muliggjort af tilgængeligheden af ​​metoder til at måle udviklingen af ​​det terahertz elektriske felt i tider på måder, der ligner funktionen af ​​et oscilloskop. Men i fotonik er dette meget ualmindeligt, da det elektriske felt (den mængde, der svinger i elektromagnetiske bølger) generelt ikke kan måles for lys, hvor den almindeligt tilgængelige mængde gennem fotodetektor er intensiteten.

Denne specifikke forskel gør det muligt for en metode kendt som ikke-lineær spøgelsesbilled-design at få rum-tidsinformation om bølger og den måde, de interagerer med optiske materialer.

"Synergien mellem ikke-lineær spøgelsesbilleddannelse og komplekse medier muliggjorde denne forskning og låser op for adskillige potentielle avancerede applikationer, såsom terahertz computing," sagde Dr. Cecconi.

Prof Peccianti, direktør for centret og hovedefterforsker af ERC-projektet TIMING, understregede centrets mission og udtalte:"På Emergent Photonics Research Center er vores kerneetos at udforske skæringspunktet mellem ultrahurtig fotonik og kompleksitet. Her transcenderer lys dets traditionel rolle som blot belysning, der udvikler sig til et kraftfuldt værktøj, der er i stand til øjeblikkeligt at fange og behandle en enorm mængde information - hvilket markerer vejen til en ny teknologisk innovation."

Flere oplysninger: Vittorio Cecconi et al., Terahertz Spatiotemporal Wave Synthesis in Random Systems, ACS Photonics (2024). DOI:10.1021/acsphotonics.3c01671

Leveret af Loughborough University