Licht is veelzijdig van aard. Met andere woorden, het vertoont verschillende kenmerken bij het reizen door verschillende soorten materialen. Deze eigenschap is onderzocht met verschillende technologieën, maar de manier waarop licht interageert met materialen moet worden gemanipuleerd om het gewenste effect te krijgen. Dit wordt gedaan met behulp van speciale apparaten die lichtmodulatoren worden genoemd, die de mogelijkheid hebben om de eigenschappen van licht te wijzigen.

Een dergelijke eigenschap, het Pockels-effect genoemd, wordt gezien wanneer een elektrisch veld wordt toegepast op het medium waardoor licht reist. Normaal gesproken, licht buigt wanneer het een medium raakt, maar onder het Pockels-effect, de brekingsindex van het medium (een maat voor hoeveel het licht buigt) verandert evenredig met het aangelegde elektrische veld. Dit effect heeft toepassingen in optische techniek, optische communicatie, displays en elektrische sensoren. Maar, hoe dit effect precies optreedt in verschillende materialen is niet duidelijk, waardoor het moeilijk is om het potentieel ervan volledig te verkennen.

In een baanbrekende studie gepubliceerd in OSA-continuüm , een team van wetenschappers onder leiding van Prof Eiji Tokunaga van de Tokyo University of Science wierp licht op het mechanisme van het Pockels-effect in een nieuw type lichtmodulator. Tot voor kort, dit effect was alleen waargenomen bij een speciaal type kristal, wat kostbaar en dus moeilijk te gebruiken is. Twaalf jaar geleden, Prof Tokunaga en zijn team hebben dit effect voor het eerst waargenomen in de toplaag (ook wel de grenslaag genoemd) van water wanneer het in contact is met een elektrode. Het effect wordt niet waargenomen in het grootste deel van het water.

Hoewel de Pockels-coëfficiënt (een maat voor het Pockels-effect) een orde van grootte groter was, er was een zeer gevoelige detector nodig omdat het effect alleen in de dunne grenslaag werd gegenereerd. Aanvullend, zelfs het mechanisme ervan werd niet duidelijk begrepen, het proces nog ingewikkelder maken. Prof Tokunaga en zijn team wilden een oplossing vinden, en na vele beproevingen, het is ze eindelijk gelukt. Over zijn motivatie voor het onderzoek, Prof Tokunaga zegt, "Het is moeilijk om het elektro-optische signaal te meten met water als medium, omdat het slechts in een dunne laag voorkomt. we wilden een manier vinden om een ​​groot signaal uit het medium te extraheren waarvoor geen zeer gevoelige metingen nodig zouden zijn en dat gemakkelijker te gebruiken zou zijn."

Om dit te doen, de wetenschappers creëerden een opstelling met een transparante elektrode op een glazen oppervlak in water, en er werd een elektrisch veld op aangelegd. De grenslaag (ook wel de elektrische dubbellaag genoemd, of EDL) is slechts enkele nanometers dik en heeft andere elektrochemische eigenschappen dan de rest van het water. Het is ook het enige deel van water waar het Pockels-effect kan worden waargenomen onder een elektrisch veld. De wetenschappers gebruikten het concept van totale reflectie om een ​​grote hoek te creëren op het grensvlak tussen water en elektrode. Ze merkten op dat wanneer licht door de elektrode gaat en de EDL binnenkomt, veranderingen in de brekingsindex van beide lagen kunnen het gereflecteerde signaal wijzigen.

Aangezien de brekingsindex in de transparante elektrode groter is dan voor zowel water als glas (1,33 en 1,52, respectievelijk), de hoeveelheid gereflecteerd licht aan beide uiteinden neemt toe, waardoor een meer versterkt Pockels-effect wordt veroorzaakt. Dit was belangrijk omdat een grote, meer verbeterd signaal zou betekenen dat zelfs apparaten met een lage gevoeligheid kunnen worden gebruikt om het te meten. Bovendien, omdat de experimentele opstelling niet complex is, bestaande uit alleen een transparante elektrode gedompeld in water dat elektrolyten bevat, deze methode is veel eenvoudiger te gebruiken. Laat staan, water is een goedkoop medium, wat resulteert in een over het algemeen goedkoop proces. Het uitwerken van deze bevindingen, Prof Tokunaga zegt, "Door onze techniek we hebben lichtmodulatie waargenomen met een maximale intensiteitsverandering van 50 procent evenredig met de aangelegde wisselspanning."

Aangemoedigd door deze observaties, Prof Tokunaga en zijn team wilden deze resultaten verifiëren met behulp van wiskundige berekeningen. Ze waren verrast toen ze ontdekten dat de theoretische berekeningen overeenkwamen met de experimentele resultaten. Bovendien, ze merkten dat theoretisch, een 100 procent lichtintensiteitsmodulatie zou kunnen worden bereikt, wat opwindend was omdat het hun bevindingen bevestigde. Prof Tokunaga zegt, "De resultaten waren verrassend, maar het was nog verrassender toen onze theoretische analyse aantoonde dat ze perfect konden worden verklaard door bestaande optische kennis. De resultaten van dit onderzoek zijn niet alleen toepasbaar op unieke lichtmodulatie-elementen en interfacesensoren die water gebruiken, maar het ontdekte verbeteringsprincipe opent de mogelijkheid om elke interface te gebruiken die universeel bestaat."

Deze nieuwe methode om licht te moduleren is een beter alternatief voor de bestaande, vooral vanwege voordelen zoals lage kosten en eenvoudigere detectie. Prof Tokunaga en zijn team geloven dat door nieuwe mechanismen van lichtmodulatie bloot te leggen, hun studie zal deuren openen voor meer geavanceerd onderzoek op dit gebied. Prof Tokunaga zegt, "Onze unieke lichtmodulatietechnologie is ongekend en heeft veel mogelijke toepassingen omdat het een algemene manier laat zien om een ​​groot Pockels-signaal uit een universeel bestaande interface te extraheren. we hopen dat onze studie zal leiden tot een nieuw onderzoeksgebied in de optica, daarmee een revolutie teweegbrengen in het veld."