Ekstraordinær lysforbedringsteknik foreslået til nanofotoniske enheder

(PhysOrg.com) -- I en ny undersøgelse, forskere har vist, at blot at skræddersy de geometriske parametre i nanoskala for dielektriske strukturer kan resultere i en stigning i lysintensiteten til hidtil usete niveauer. Teoretisk set, de beregner, at lysintensiteten kan øges til op til 100, 000 gange hændelsens intensitet over store mængder. Denne store lysforbedring kan føre til nye udviklinger inden for alle-optiske switching- og biosensing-applikationer.

Forskerne, Rebecca Sainidou fra det spanske nationale forskningsråd (CSIC), Jan Renger fra Institute of Photonic Sciences (ICFO), og medforfattere fra forskellige institutter i Spanien, har offentliggjort deres undersøgelse af den nye metode til dielektrisk lysforbedring i et nyligt nummer af Nano bogstaver .

Som forskerne forklarer, et af de største problemer for nanofotoniske enheder lavet af metal er, at metallerne i disse enheder absorberer noget lys, begrænser den samlede lysintensitet. Her, forskerne foreslog at bruge dielektriske snarere end metalliske strukturer, og beskrev tre forskellige arrangementer til at opnå en stor lysforbedring:dielektriske bølgeledere, dielektriske partikelarrays, og en hybrid af disse to strukturer. I hver af de tre foreslåede ordninger, forskerne viser, at ved at undertrykke absorptionstab, lysenergi kan stables op i resonanshulrum for at skabe ekstremt intense optiske felter.

"Metalstrukturer kan producere et lignende niveau af forbedring via lokaliseret plasmonexcitation, men kun over begrænsede volumener udvidet nogle få nanometer i diameter, ” fortalte medforfatter Javier García de Abajo fra CSIC PhysOrg.com . "I modsætning hertil vores arbejde involverer en enorm forbedring over store mængder, dermed optimal udnyttelse af den tilførte lysenergi til udvidede biosensing-applikationer og ikke-lineær optik. I metalliske strukturer, absorption kan være et problem på grund af potentiel materiel skade, og fordi det reducerer den tilgængelige optiske energi i området for forbedring. Denne type problemer er fraværende i vores dielektriske strukturer.

"Man kunne opnå stor lysintensitetsforøgelse blot ved blot at akkumulere det fra maj-kilder (f.eks. ved at placere enderne af mange optiske fibre nær et fælles punkt i rummet, eller ved at indsamle lys, der kommer fra mange store spejle). Men det lyder som at spilde en masse optisk energi bare for at få en forbedringseffekt i et lille område af rummet. Imidlertid, dette er i bund og grund, hvad metalliske strukturer gør for at koncentrere lys i såkaldte optiske hot-spots ved hjælp af plasmoner. I modsætning, vores strukturer koncentrerer ikke lyset i små rum:de forstærker det over store volumener, og dette har vigtige anvendelser. Denne forstærkning sker ved brug af flygtige og forstærkende optiske bølger, som ikke transporterer energi, men kan akkumulere det."

Selvom der teoretisk ikke er nogen øvre grænse for den intensitetsforøgelse, som disse strukturer kan opnå, fabrikationsfejl begrænser forbedringen til omkring 100, 000 gange intensiteten af ​​det indfaldende lys. I en proof-of-princip demonstration af det dielektriske bølgelederarrangement, forskerne viste en lysintensitetsforøgelse på en faktor på 100. Forskerne forudsiger, at denne moderate forstærkning let bør forbedres ved at reducere grænsefladeruheden gennem mere omhyggelig fremstilling, og arbejder i øjeblikket på eksperimenter for at demonstrere en større lysforbedring.

Som forskerne forklarer, en del af den "hellige gral" ved at designe nanoenheder til optiske applikationer er evnen til at kontrollere lysforbedring, samt lysindeslutning og subbølgelængde lysstyring. Ved at demonstrere muligheden for at opnå en ekstremt stor lysintensitet i store mængder, forskerne har åbnet op for nye muligheder i mange nanofotoniske applikationer. For eksempel, nanofotoniske komponenter er allerede blevet brugt til at producere kunstig magnetisme, negativ brydning, tilsløring, og til biosensing.

"Visse molekyler produceres fortrinsvis i vores kroppe, når vi lider af nogle sygdomme (f.eks. tumorer, infektioner, etc.), " sagde García de Abajo. "Detektionen af ​​disse molekyler kan nogle gange være en vanskelig opgave, fordi de sjældent ses i små koncentrationer. En praktisk måde at detektere disse molekyler på, og dermed afsløre den potentielle sygdom, som de er forbundet med, er ved at oplyse dem og se, hvordan de spreder eller absorberer lys (f.eks. hvordan lys af forskellige farver absorberes af disse molekyler, eller hvordan de ændrer lysets farve). Derfor, det er vigtigt at forstærke det optiske signal, som disse molekyler producerer, så vi kan få adgang til dem, selvom de er i meget lave koncentrationer. Vores strukturer gør netop det:de forstærker lyset over store volumener, så hvis molekylerne, der skal detekteres, er placeret inde i disse volumener, de vil lettere producere det noterede optiske signal (absorption, farveændring, etc.). Dette er således en praktisk måde at opdage sygdomme som kræft.

"I en anden retning, lysforstærkning er nyttig til at producere en ikke-lineær reaktion på det eksterne lys, og dette kan anvendes direkte til at behandle information kodet som optiske signaler. Dette er et ambitiøst mål, der er nødvendigt for at fremstille optiske computere. Sådanne computere er stadig langt fra tilgængelige, men de forventes at producere en enorm stigning i hastigheden af ​​beregning og kommunikation. Vores strukturer giver en innovativ måde at bruge lys i enheder til informationsbehandling."

Copyright 2010 PhysOrg.com.
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omdistribueret helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra PhysOrg.com.