Stel je voor dat je een lichtpuls op elke denkbare manier kunt vormen - het comprimeren, het uitrekken, het in tweeën splitsen, het veranderen van de intensiteit of het veranderen van de richting van het elektrische veld.

Het beheersen van de eigenschappen van ultrasnelle lichtpulsen is essentieel voor het verzenden van informatie via snelle optische circuits en voor het onderzoeken van atomen en moleculen die duizenden biljoenen keren per seconde trillen. Maar de standaardmethode voor pulsvorming - met behulp van apparaten die bekend staan ​​​​als ruimtelijke lichtmodulatoren - is duur, omvangrijk en mist de fijne controle die wetenschappers steeds meer nodig hebben. In aanvulling, deze apparaten zijn meestal gebaseerd op vloeibare kristallen die kunnen worden beschadigd door dezelfde pulsen van laserlicht met hoge intensiteit waarvoor ze zijn ontworpen.

Nu hebben onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en het NanoCenter van de Universiteit van Maryland in College Park een nieuwe en compacte methode ontwikkeld om licht te vormen. Ze brachten eerst een laag ultradun silicium aan op glas, slechts een paar honderd nanometer (miljardsten van een meter) dik, en bedekte vervolgens een reeks van miljoenen kleine vierkantjes van het silicium met een beschermend materiaal. Door het silicium rondom elk vierkant weg te etsen, het team creëerde miljoenen kleine pilaren, die een sleutelrol speelde in de lichtsculptuurtechniek.

de flat, ultradun apparaat is een voorbeeld van een meta-oppervlak, die wordt gebruikt om de eigenschappen van een lichtgolf die er doorheen gaat te veranderen. Door de vorm zorgvuldig te ontwerpen, maat, dichtheid en verdeling van de nanopijlers, meerdere eigenschappen van elke lichtpuls kunnen nu gelijktijdig en onafhankelijk worden aangepast met precisie op nanoschaal. Deze eigenschappen omvatten de amplitude, fase en polarisatie van de golf.

Een lichtgolf, een reeks oscillerende elektrische en magnetische velden die haaks op elkaar staan, heeft pieken en dalen die lijken op een oceaangolf. Als je in de oceaan staat, de frequentie van de golf is hoe vaak de pieken of dalen langs je reizen, de amplitude is de hoogte van de golven (van dal tot piek), en de fase is waar je bent ten opzichte van de pieken en dalen.

"We hebben ontdekt hoe we onafhankelijk en gelijktijdig de fase en amplitude van elke frequentiecomponent van een ultrasnelle laserpuls kunnen manipuleren, " zei Amit Agrawal, van NIST en het NanoCenter. "Om dit te behalen, we gebruikten zorgvuldig ontworpen sets van silicium nanopilaren, één voor elke samenstellende kleur in de puls, en een geïntegreerde polarisator op de achterkant van het apparaat."

Wanneer een lichtgolf door een reeks silicium nanopilaren gaat, de golf vertraagt ​​​​ten opzichte van zijn snelheid in de lucht en zijn fase wordt vertraagd - het moment waarop de golf zijn volgende piek bereikt, is iets later dan het moment waarop de golf zijn volgende piek in de lucht zou hebben bereikt. De grootte van de nanopilaren bepaalt de mate waarin de fase verandert, terwijl de oriëntatie van de nanopilaren de polarisatie van de lichtgolf verandert. Wanneer een apparaat dat bekend staat als een polarisator aan de achterkant van het silicium is bevestigd, de verandering in polarisatie kan worden vertaald naar een overeenkomstige verandering in amplitude.

De fase veranderen, amplitude of polarisatie van een lichtgolf op een zeer gecontroleerde manier kan worden gebruikt om informatie te coderen. de snelle, fijn afgestemde veranderingen kunnen ook worden gebruikt om de uitkomst van chemische of biologische processen te bestuderen en te veranderen. Bijvoorbeeld, veranderingen in een inkomende lichtpuls kunnen het product van een chemische reactie verhogen of verlagen. Op deze manieren, de nanopijlermethode belooft nieuwe perspectieven te openen in de studie van ultrasnelle fenomenen en hogesnelheidscommunicatie.

Agrawal, samen met Henri Lezec van NIST en hun medewerkers, beschrijf de bevindingen vandaag online in het tijdschrift Wetenschap .

"We wilden de impact van meta-oppervlakken uitbreiden tot buiten hun typische toepassing - de vorm van een optisch golffront ruimtelijk veranderen - en ze in plaats daarvan gebruiken om te veranderen hoe de lichtpuls in de tijd varieert, ' zei Lezec.

Een typische ultrasnelle laserlichtpuls duurt slechts enkele femtoseconden, of een duizendste van een biljoenste van een seconde, te kort voor welk apparaat dan ook om het licht op een bepaald moment vorm te geven. In plaats daarvan, Agrawal, Lezec en hun collega's bedachten een strategie om de individuele frequentiecomponenten of kleuren waaruit de puls bestaat, vorm te geven door eerst het licht in die componenten te scheiden met een optisch apparaat dat een diffractierooster wordt genoemd.

Elke kleur heeft een andere intensiteit of amplitude - vergelijkbaar met de manier waarop een muzikale boventoon is samengesteld uit vele individuele noten met verschillende volumes. Wanneer gericht in het nanopijler-geëtste siliciumoppervlak, verschillende frequentiecomponenten troffen verschillende sets nanopilaren. Elke set nanopijlers is op maat gemaakt om de fase te veranderen, intensiteit of elektrische veldoriëntatie (polarisatie) van componenten op een bepaalde manier. Een tweede diffractierooster combineerde vervolgens alle componenten om de nieuw gevormde puls te creëren.

De onderzoekers ontwierpen hun nanopijlersysteem om te werken met ultrasnelle lichtpulsen (10 femtoseconden of minder, equivalent aan een honderdste van een biljoenste van een seconde) samengesteld uit een breed scala aan frequentiecomponenten die golflengten overspannen van 700 nanometer (zichtbaar rood licht) tot 900 nanometer (nabij-infrarood). Door gelijktijdig en onafhankelijk de amplitude en fase van deze frequentiecomponenten te veranderen, de wetenschappers toonden aan dat hun methode kon comprimeren, splitsen en vervormen pulsen op een controleerbare manier.

Verdere verfijningen in het apparaat zullen wetenschappers extra controle geven over de tijdsevolutie van lichtpulsen en kunnen onderzoekers in staat stellen om individuele lijnen in een frequentiekam tot in exquise detail te vormen, een nauwkeurig instrument voor het meten van de frequenties van licht dat wordt gebruikt in apparaten zoals atoomklokken en voor het identificeren van planeten rond verre sterren.