Door lichtgolven te gebruiken in plaats van elektrische stroom om gegevens te verzenden, fotonische chips - circuits voor licht - hebben fundamenteel onderzoek gevorderd op vele gebieden, van tijdwaarneming tot telecommunicatie. Maar voor veel toepassingen de smalle lichtbundels die deze circuits doorkruisen, moeten aanzienlijk worden verbreed om verbinding te maken met grotere, off-chip systemen. Bredere lichtstralen kunnen de snelheid en gevoeligheid van medische beeldvorming en diagnostische procedures verhogen, beveiligingssystemen die sporen van giftige of vluchtige chemicaliën detecteren en apparaten die afhankelijk zijn van de analyse van grote groepen atomen.

Wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben nu een zeer efficiënte converter ontwikkeld die de diameter van een lichtstraal 400 keer vergroot. NIST-natuurkundige Vladimir Aksyuk en zijn collega's, waaronder onderzoekers van het NanoCenter van de Universiteit van Maryland in College Park, Maryland, en Texas Tech University in Llubbock, beschreven hun werk in het tijdschrift Licht:wetenschap en toepassingen .

De converter verbreedt de doorsnede, of het gebied van de straal, in twee opeenvolgende fasen. aanvankelijk, het licht reist langs een optische golfgeleider — een dunne, transparant kanaal waarvan de optische eigenschappen de diameter van de bundel beperken tot enkele honderden nanometers, minder dan een duizendste van de gemiddelde diameter van een mensenhaar. Omdat het golfgeleiderkanaal zo smal is, een deel van het reizende licht strekt zich buiten de randen van de golfgeleider uit. Door gebruik te maken van deze verbreding, plaatste het team een ​​rechthoekige plaat, samengesteld uit hetzelfde materiaal als de golfgeleider, een kleine, nauwkeurig gemeten afstand van de golfgeleider. Het licht kan over de kleine opening tussen de twee componenten springen en geleidelijk in de plaat lekken.

De plaat behoudt de smalle breedte van het licht in de verticale (van boven naar beneden) dimensie, maar het biedt geen dergelijke beperkingen voor de laterale, of zijwaarts, dimensie. Naarmate de opening tussen de golfgeleider en de plaat geleidelijk verandert, het licht in de plaat vormt een nauwkeurig gerichte bundel die 400 keer breder is dan de ongeveer 300 nm diameter van de oorspronkelijke bundel.

In de tweede fase van de uitbreiding die de verticale dimensie van het licht vergroot, de bundel die door de plaat gaat, komt een diffractierooster tegen. Dit optische apparaat heeft periodieke regels of lijnen, die elk licht verstrooien. Het team ontwierp de diepte en afstand van de linies om te variëren, zodat de lichtgolven zich combineren, het vormen van een enkele brede straal gericht op bijna een rechte hoek op het oppervlak van de chip.

belangrijk, het licht blijft gecollimeerd, of juist parallel, gedurende het uitbreidingsproces in twee fasen, zodat het op het doel blijft en niet uitspreidt. Het gebied van de gecollimeerde bundel is nu groot genoeg om de lange afstand af te leggen die nodig is om de optische eigenschappen van grote diffuse groepen atomen te onderzoeken.

Werken met een team onder leiding van John Kitching van NIST in Boulder, Colorado, de onderzoekers hebben de tweetrapsconverter al gebruikt om met succes de eigenschappen van zo'n 100 miljoen gasvormige rubidiumatomen te analyseren terwijl ze van het ene energieniveau naar het andere sprongen. Dat is een belangrijk proof-of-concept omdat apparaten die gebaseerd zijn op interacties tussen licht en atomaire gassen grootheden kunnen meten zoals tijd, lengte en magnetische velden en hebben toepassingen in navigatie, communicatie en geneeskunde.

"Atomen bewegen heel snel, en als de straal die ze bewaakt te klein is, ze bewegen zo snel in en uit de straal dat het moeilijk wordt om ze te meten, " zei Kitching. "Met grote laserstralen, de atomen blijven langer in de straal en zorgen voor een nauwkeurigere meting van de atomaire eigenschappen, " voegde hij eraan toe. Dergelijke metingen kunnen leiden tot verbeterde golflengte- en tijdstandaarden.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NIST. Lees hier het originele verhaal.