Groovy hologram skaber mærkelig lystilstand ved synlige og usynlige bølgelængder

(Phys.org) — Anvendte fysikere ved Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har vist, at de kan ændre intensiteten, fase, og polarisering af lysstråler ved hjælp af et hologram-lignende design dekoreret med nanoskala strukturer.

Som et principbevis, forskerne har brugt det til at skabe en usædvanlig lystilstand kaldet en radialt polariseret stråle, hvilket - fordi det kan fokuseres meget stramt - er vigtigt til applikationer som højopløsningslitografi og til at fange og manipulere små partikler som vira.

Det er første gang en single, enkel enhed er designet til at kontrollere disse tre hovedegenskaber af lys på én gang. (Fase beskriver, hvordan to bølger interfererer med enten at styrke eller ophæve hinanden, afhængig af hvordan deres toppe og trug overlapper hinanden; polarisering beskriver retningen af ​​lysvibrationer; og intensiteten er lysstyrken.)

"Vores laboratorium arbejder på at bruge nanoteknologi til at lege med lys, " siger Patrice Genevet, en forskningsmedarbejder ved Harvard SEAS og med-hovedforfatter til et papir offentliggjort i denne måned i Nano bogstaver . "I denne undersøgelse, vi har brugt holografi på en ny måde, inkorporerer banebrydende nanoteknologi i form af subbølgelængdestrukturer i en skala på kun 100 nanometer." En nanometer er lig med en milliardtedel af en meter.

Genevet arbejder i laboratoriet hos Federico Capasso, Robert L. Wallace professor i anvendt fysik og Vinton Hayes seniorforsker i elektroteknik ved Harvard SEAS. Capassos forskergruppe har i de senere år fokuseret på nanofotonik – manipulation af lys på nanometerskala – med det mål at skabe nye lysstråler og specialeffekter, der opstår fra lysets interaktion med nanostrukturerede materialer.

Ved at bruge disse nye nanostrukturerede hologrammer, Harvard-forskerne har konverteret konventionelle, cirkulært polariseret laserlys til radialt polariserede stråler ved bølgelængder, der spænder over det teknologisk vigtige synlige og nær-infrarøde lysspektrum.

"Når lys er radialt polariseret, dens elektromagnetiske vibrationer svinger indad og udad fra midten af ​​strålen som egerne på et hjul, " forklarer Capasso. "Denne usædvanlige stråle manifesterer sig som en meget intens lysring med en mørk plet i midten."

"Det er bemærkelsesværdigt, Capasso påpeger, "at den samme nanostrukturerede holografiske plade kan bruges til at skabe radialt polariseret lys ved så mange forskellige bølgelængder. Radialt polariseret lys kan fokuseres meget mere stramt end konventionelt polariseret lys, dermed muliggør mange potentielle anvendelser inden for mikroskopi og nanopartikelmanipulation."

Den nye enhed ligner et normalt hologramgitter med en ekstra, nanostruktureret mønster skåret ind i det. Synligt lys, som har en bølgelængde i hundredvis af nanometer, interagerer anderledes med åbninger, der er tekstureret på 'nano'-skalaen end med dem på skalaen mikrometer eller større. Ved at udnytte denne adfærd, det modulære interface kan bøje indkommende lys for at justere dets intensitet, fase, og polarisering.

hologrammer, ud over at være en fast bestanddel af science-fiction-universer, finde mange applikationer inden for sikkerhed, som de holografiske paneler på kreditkort og pas, og nye digitale hologram-baserede datalagringsmetoder er i øjeblikket ved at blive designet til potentielt at erstatte nuværende systemer. At opnå finjusteret kontrol af lyset er afgørende for at fremme disse teknologier.

"Nu, du kan styre alt hvad du har brug for med kun en enkelt grænseflade, " siger Genevet, påpeger, at den polarisationseffekt, den nye grænseflade har på lys, tidligere kun kunne opnås ved en kaskade af flere forskellige optiske elementer. "Vi får en stor fordel i forhold til at spare plads."

Demonstrationen af ​​dette nanostrukturerede hologram er først blevet mulig for nylig med udviklingen af ​​mere kraftfuld software og højere opløsnings nanofabrikationsteknologier.

Det underliggende design er mere komplekst end en simpel superposition af nanostrukturer på hologrammet. Lysets fase og polarisering interagerer tæt, så strukturerne skal designes med begge resultater for øje, ved hjælp af moderne beregningsværktøjer.

Yderligere forskning vil sigte mod at lave mere komplekse polariserede hologrammer og at optimere enhedens outputeffektivitet.