Een nieuw bundelpatroon, ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Rochester, zou ongekende scherpte kunnen geven aan echografie- en radarbeelden, brand precieze gaten in gefabriceerde materialen op nanoschaal - ets zelfs nieuwe eigenschappen op hun oppervlakken.

Dit zijn slechts enkele van de items op de "kerstboom" van mogelijke toepassingen voor het bundelpatroon dat Miguel Alonso, hoogleraar optica, en Kevin Parker, de William F. May hoogleraar techniek, beschrijven in een recent artikel in Optica Express .

Het patroon is het resultaat van wat Parker 'een analytisch mooie wiskundige oplossing' noemt die Alonso bedacht. Het zorgt ervoor dat een licht- of geluidsgolf naar binnen instort, vormen - gedurende slechts een nanoseconde of minder - een ongelooflijk dunne, intense bundel voordat de golf zich weer naar buiten uitbreidt.

"Alle energie past samen in tijd en ruimte, dus het komt samen - BAM! - als een crescendo, " zegt Parker, explosief in zijn handen klappend om de nadruk te leggen. "Het kan met een optische lichtgolf, met ultrageluid, radar, sonar - het zal voor hen allemaal werken."

De meeste traditionele bundelpatronen behouden hun vorm zolang de bron in werking is. Echter, ze zijn niet zo intens als de straal gecreëerd door Parker en Alonso, die de onderzoekers een 'naaldpulsstraal' noemen. “Het is heel lokaal, zonder verlengstukken of zijlobben die energie wegvoeren van het grootlicht, ' zegt Alonso.

Zijlobben, die uitstraalt van een straal zoals de halo's die soms rond een autokoplamp worden gezien, zijn vooral problematisch bij echografie. "Zijlobben zijn de vijand, "zegt Alonso. "Je wilt al je ultrasone golven richten op dat ene ding dat je wilt afbeelden, dus dan, wat er ook wordt teruggekaatst, zal je over dat ene ding vertellen. Als je ook elders een golfverspreiding krijgt, het vervaagt het beeld."

Omdat het ongelooflijk smal is, de nieuwe straal "maakt het mogelijk om dingen met voortreffelijke resoluties op te lossen, waar je kleine dingen die dicht bij elkaar staan ​​moet scheiden, " zegt Parker, eraan toevoegend dat de straal niet alleen toepassingen zou kunnen hebben voor ultrageluid, maar microscopie, radar, en sonar.

Volgens Alonso, industriële toepassingen kunnen elke vorm van lasermateriaalverwerking omvatten waarbij zoveel mogelijk licht op een bepaalde lijn wordt geplaatst.

Het idee voor de naaldpulsstraal is ontstaan ​​bij Parker, een expert op het gebied van echografie, die ter inspiratie vaak wiskundige functies doorleest van een eeuw of meer geleden in de 'oude teksten'.

"Ik kon een algemene vorm van de oplossing zien, maar ik kon niet voorbij de vergelijking komen, " zegt hij "Dus ging ik naar de persoon (Alonso) die ik beschouw als 's werelds grootste expert op het gebied van optische theorie en wiskunde."

Ze kwamen met verschillende uitdrukkingen die "wiskundig correct waren, "Alonso zegt, maar kwam overeen met stralen die een oneindige hoeveelheid energie nodig hebben. De oplossing - 'een bepaalde wiskundige truc' die kan worden toegepast op een straal met eindige energie - kwam tot hem tijdens het zwemmen met zijn vrouw in Lake Ontario.

"Veel van de ideeën die ik heb, ontstaan ​​niet aan mijn bureau, " zegt Alonso. "Het gebeurt terwijl ik fiets, of onder de douche, of zwemmen, of iets anders doen - weg van al het papierwerk."

Parker zegt dat deze ontdekking een voortzetting is van een internationale zoektocht die begon aan de Universiteit van Rochester. In 1986 – in het licht van wereldwijde scepsis – een universiteitsteam, waaronder Joseph Eberly, de Andrew Carnegie hoogleraar natuurkunde en hoogleraar optica, bewijs geleverd van een onverwachte nieuwe, diffractievrije lichtvorm. De zogenaamde Bessel-balk wordt nu veel gebruikt.

Lees de studie uit 1986, "Diffractievrije stralen"

"Het was decennia geleden dat iemand een nieuw type straal formuleerde, "zegt Parker. "Dan, zodra de Besselstraal werd aangekondigd, mensen dachten dat er misschien andere nieuwe balken zouden zijn. De race zat erop.

"Het vinden van een nieuw bundelpatroon is hetzelfde als het vinden van een nieuw element. Het gebeurt niet vaak."