Onderzoekers van de Brown University hebben een nieuwe methode ontwikkeld om de polarisatie van licht op terahertz-frequenties te manipuleren.

De techniek maakt gebruik van stapels zorgvuldig uit elkaar geplaatste metalen platen om een ​​polariserende bundelsplitser te maken, een apparaat dat een lichtstraal splitst door zijn verschillende polarisatietoestanden, het verzenden van verticaal gepolariseerd licht in de ene richting en horizontaal gepolariseerd licht in een andere. Een dergelijke bundelsplitser kan nuttig zijn in een breed scala aan systemen die gebruik maken van terahertz-straling, van beeldvormingssystemen tot toekomstige communicatienetwerken.

In de beeldwereld het vermogen om straling af te geven en te detecteren bij verschillende polarisaties zou nuttig kunnen zijn bij terahertz-microscopie en materiaalkarakterisering. Bij communicatie, gepolariseerde bundels kunnen het mogelijk maken om meerdere datastromen zonder interferentie door hetzelfde medium te sturen.

"Dit idee van stapelplaten heeft voordelen ten opzichte van traditionele methoden om polarisatie in het terahertz-gebied te manipuleren, " zei Dan Mittleman, een professor aan Brown's School of Engineering en senior auteur van een onderzoekspaper waarin het werk in het tijdschrift wordt beschreven Wetenschappelijke rapporten . "Het is goedkoper en fysiek robuuster dan andere methoden, en het is veelzijdiger in wat het ons in staat stelt te doen."

Rajind Mendis, een onderzoeksassistent-professor bij Brown, leidde het werk samen met Mittleman, Brown afgestudeerde student Wei Zhang en Masaya Nagai, een universitair hoofddocent aan de Universiteit van Osaka in Japan.

Het terahertz-bereik is de strook van het elektromagnetische spectrum tussen microgolf- en infraroodfrequenties. Gebruik van terahertz-golven in technologische toepassingen zoals spectroscopie, voelen, beeldvorming en communicatie met ultrahoge bandbreedte groeit, en onderzoekers werken aan de ontwikkeling van de hardwarecomponenten die nodig zijn om deze geavanceerde terahertz-systemen te bouwen.

Polarisatie verwijst naar de oriëntatie van de pieken en dalen van een elektromagnetische golf terwijl de golf zich voortplant. Als een golf zich naar jou voortplant, de toppen en dalen kunnen verticaal worden georiënteerd, horizontaal of ergens daartussenin.

"Polarisatie is een van de belangrijkste eigenschappen van elke elektromagnetische golf, "Zei Mittleman. "In staat zijn om polarisatie te manipuleren - om het te meten of om het te veranderen - is een van de belangrijke mogelijkheden die je nodig hebt in elk elektromagnetisch systeem."

In het zichtbare lichtrijk, bijvoorbeeld, manipulatie van polarisatie wordt gebruikt om moderne 3D-films te maken en om zonnebrillen te maken die de schittering van gereflecteerd licht verminderen. Polariserende zonnebrillen worden gemaakt door polymeerstrengen horizontaal in lenzen te plaatsen, zoals staven op een gevangeniscel. Die strengen laten licht door dat verticaal gepolariseerd is, terwijl horizontaal gepolariseerd licht wordt geblokkeerd, dat is de dominante polarisatietoestand van licht dat wordt gereflecteerd door glanzende oppervlakken zoals auto's en water.

Bestaande methoden voor het manipuleren van polarisatie in het terahertz-bereik lijken sterk op de techniek die wordt gebruikt bij het polariseren van zonnebrillen, zij het geschaald naar de veel langere golflengten van terahertz-licht in vergelijking met zichtbaar licht. Polarisatiefilters voor terahertz zijn over het algemeen een reeks metaaldraden met een diameter van enkele microns en een onderlinge afstand van enkele microns.

De nieuwe techniek die het team van Brown en Osaka ontwikkelde, vervangt de draden door een stapel dicht op elkaar staande stalen platen. Elk paar platen vormt een zogenaamde golfgeleider met parallelle platen. Wanneer terahertz-licht onder een hoek van 45 graden op de stapel schijnt, het splitst de straal door twee golfgeleidermodi te activeren. Eén bundel verticaal gepolariseerd licht gaat dwars door het apparaat, terwijl een andere bundel horizontaal gepolariseerd licht wordt gereflecteerd in een hoek van 90 graden vanaf de oorspronkelijke bundelas.

De techniek heeft een aantal voordelen ten opzichte van traditionele draadfilters, zeggen de onderzoekers. De stapel-van-platen-architectuur, wat bekend staat als een "kunstmatig diëlektricum, "makkelijk te maken, en de materialen zijn goedkoop. De platen zijn ook veel minder kwetsbaar dan draden.

"Het kunstmatige-diëlektrische concept maakt het apparaat ook veelzijdiger, "Zei Mendis. "Het apparaat kan eenvoudig worden afgestemd voor gebruik op verschillende terahertz-frequenties door simpelweg de grootte van de afstandhouders die de platen scheiden te veranderen of door de belichtingshoek te veranderen."

Een ander voordeel is dat met de toevoeging van een tweede soortgelijke kunstmatige-diëlektrische structuur, de onderzoekers waren in staat om een ​​apparaat te bouwen dat een isolator wordt genoemd. Isolatoren worden gebruikt op krachtige lasers om te voorkomen dat licht wordt teruggekaatst in een laserzender, die het zou kunnen destabiliseren of zelfs beschadigen. Een terahertz-isolator kan een belangrijk onderdeel zijn voor toekomstige krachtige terahertz-apparaten.

Het team van Brown en Osaka is bezig met het patenteren van de nieuwe kunstmatige-diëlektrische apparaten, en de onderzoekers hopen dat deze apparaten de ontwikkeling van nieuwe terahertz-systemen met veel betere mogelijkheden mogelijk zullen maken.

"In alles wat u met een optisch systeem wilt doen, het is handig om polarisatie te kunnen manipuleren, ' zei Mittleman. 'Dit is een eenvoudige, efficiënt, effectieve en veelzijdige manier om dat te doen."