Als u het meeste voordeel wilt halen uit een lichtstraal - of u nu een verre planeet wilt detecteren of een aberratie in het menselijk oog wilt verhelpen - moet u de informatie over de bundelfront kunnen meten.

Nu heeft een onderzoeksteam van de Universiteit van Rochester een veel eenvoudigere manier bedacht om lichtstralen te meten — zelfs krachtige, supersnelle gepulseerde laserstralen die zeer gecompliceerde apparaten nodig hebben om hun eigenschappen te karakteriseren.

Het nieuwe apparaat geeft wetenschappers een ongekend vermogen om zelfs de snelste lichtpulsen te finetunen voor een groot aantal toepassingen, zegt Chunlei Guo, hoogleraar optica, die femtoseconde gepulseerde laserstralen heeft gebruikt om metalen oppervlakken op opmerkelijke manieren te behandelen. En het kan traditionele instrumenten voor het meten van lichtstralen overbodig maken.

"Dit is een revolutionaire stap voorwaarts, " zegt Guo. "In het verleden moesten we lichtbundels karakteriseren met zeer gecompliceerde, omslachtige interferometrische apparaten, maar nu kunnen we het doen met slechts één optische kubus. Het is supercompact, super betrouwbaar, en super robuust."

Het apparaat, ontwikkeld door Guo en Billy Lam, een doctoraat student in zijn laboratorium, wordt beschreven in Natuurlicht:wetenschap en toepassingen . Een zogenaamde wedged reversal shearing interferometer, het bestaat uit een prismakubus, samengesteld uit twee rechthoekige prisma's.

-De kubus heeft twee schuine ingangen en splitst de straal in twee delen.

Wanneer de straal de kubus verlaat, het gereflecteerde licht van het linkerdeel van de straal en het doorgelaten licht van het rechterdeel van de straal worden uitgezonden vanaf één zijde van de kubus. Omgekeerd, het doorgelaten licht van het linkergedeelte van de bundel en het gereflecteerde licht van het rechtergedeelte worden uitgezonden vanaf een ander vlak van de kubus.

Dit creëert een extreem stabiel "interferentie" -patroon voor Guo en zijn team om alle belangrijke ruimtelijke kenmerken van een lichtstraal te meten - de amplitude, fase, polarisatie, golflengte, en, in het geval van gepulseerde stralen, de duur van de pulsen. En niet alleen als gemiddelde over de hele balk, maar op elk punt van de straal.

Dit is vooral belangrijk bij beeldverwerkingstoepassingen, zegt Guo. "Als een straal niet perfect is, en er is een defect op de afbeelding, het is belangrijk om te weten dat het defect door de straal komt, en niet vanwege een variatie in het object dat je aan het afbeelden bent, ' zegt Guo.

"Ideaal, je zou een perfecte straal moeten hebben om beeldvorming te doen. En als je dat niet doet, je kunt het maar beter weten, en dan kunt u uw metingen corrigeren. Ultrasnelle lasers zijn essentieel voor het vastleggen van dynamische processen, en het hebben van een uiterst eenvoudig maar robuust apparaat om ultrasnelle of elk type laserstralen te karakteriseren is zeker belangrijk."

Albert Michaelson demonstreerde de eerste interferometer in de jaren 1880, met behulp van een bundelsplitser en twee spiegels. De kernprincipes blijven hetzelfde in interferometers die tegenwoordig worden gebruikt.

De bundelsplitser stuurt het gesplitste licht via verschillende optische paden naar de spiegels. De spiegels weerkaatsen vervolgens elke gesplitste bundel terug, zodat ze opnieuw combineren bij de bundelsplitser. De verschillende paden die de twee gesplitste bundels volgen, veroorzaken een faseverschil dat een interferentie-randpatroon creëert. Dit patroon wordt vervolgens geanalyseerd door een detector om de golfkarakteristieken te evalueren.

Deze benadering heeft redelijk goed gewerkt voor het karakteriseren van continue golflaserstralen omdat ze een lange "coherentie" tijd hebben, waardoor ze kunnen interfereren, zelfs nadat ze zijn gesplitst, langs twee paden van verschillende lengte gestuurd, en dan weer gecombineerd, zegt Guo.

Echter, gezien de korte duur van een femtoseconde gepulseerde laserstraal - ongeveer een miljoenste van een miljardste van een seconde - eenvoudige interferometer zoals de afschuifplaat, waar de stralen die van het voor- en achteroppervlak worden weerkaatst, interfereren, werkt niet meer." zegt Guo. Femtoseconde gepulseerde laserstralen zouden snel hun coherentie verliezen langs niet-equidistante paden van een typische interferometer.

De prismakubus is zo ontworpen om dat probleem te elimineren, hij zegt. De prismakubus is de eerste interferometer met één element die femtoseconde of zelfs kortere laserpulsen kan karakteriseren.

Femtoseconde laserpulsen bieden twee voordelen. Hun ongelooflijk korte duur is vergelijkbaar met de tijdschalen waarop "zeer veel fundamentele processen in de natuur plaatsvinden, " zegt Guo. Die processen omvatten een elektron dat rond de kern van een atoom beweegt, de "rooster" trilling van atomen en moleculen, en het ontvouwen van biologische eiwitten. Dus, femtosecond last pulses bieden onderzoekers een hulpmiddel om die processen te bestuderen en te manipuleren.

Femtoseconde laserpulsen zijn ook ongelooflijk krachtig. "Het piekvermogen van een femtoseconde laserpuls in mijn laboratorium is gelijk aan het hele Noord-Amerikaanse elektriciteitsnet, " zegt Guo. Dat stelt zijn lab in staat om de laserpulsen te gebruiken om metalen oppervlakken met nieuwe eigenschappen te etsen, zodat ze super waterafstotend of wateraantrekkend worden.