Van microscopen tot gegevensoverdracht via optische vezels tot moderne kwantumtechnologieën, licht speelt een belangrijke rol in wetenschap en industrie. Met name methoden voor het veranderen van de kleur - en daarmee de frequentie en golflengte - van licht zijn van groot belang in moderne toepassingen. Die methoden vereisen het gebruik van niet-lineaire kristallen. In dergelijke kristallen, twee fotonen van een bepaalde frequentie kunnen, bijvoorbeeld, worden omgezet in één foton met twee keer die frequentie - laten we zeggen, twee rode in een enkele blauwe.

Om dat te laten werken, echter, het licht moet het kristal meestal in een specifieke richting en met een specifieke polarisatie raken. Deze zogenaamde fase-aanpassing beperkt vaak de praktische toepassingen ernstig. Een team van onderzoekers onder leiding van ETH-professor Rachel Grange van het Institute for Quantum Electronics, samen met de groep van Lucio Isa van de afdeling Materialen, hebben nu een methode ontwikkeld waarmee efficiënte frequentieverdubbeling kan worden verkregen zonder een dergelijke fijnafstemming, en die ook andere voordelen heeft ten opzichte van conventionele methoden.

Schijnbaar onverenigbare benaderingen

Het recept van de onderzoekers kan grofweg als volgt worden samengevat:eerder klein dan groot, en een puinhoop is beter dan orde. Dat klinkt mysterieus, maar de taak die het team van Grange zichzelf had gesteld was een even groot raadsel:"Voor een betere en breder toepasbare frequentieverdubbeling, we wilden twee benaderingen combineren die niet echt bij elkaar passen, " zegt Romolo Savo, die het project leidde als postdoc in het kader van een Marie-Skłodowska-Curie-beurs.

Bij de eerste benadering in plaats van een enkel groot kristal gebruikt men een verzameling van veel minikristallen waarvan de individuele kristalassen in willekeurige richtingen wijzen. Op die manier, het is niet langer nodig om de richtingen van de inkomende lichtstralen strikt te controleren. Onder de vele minikristallen zullen er enkele zijn die gunstig georiënteerd zijn en andere die ongunstig georiënteerd zijn, maar over het algemeen zullen ze altijd een aanzienlijke hoeveelheid licht met verdubbelde frequentie produceren. "Het klinkt contra-intuïtief, "Savo geeft toe, "en sommige van onze collega's waren echt verbaasd over het idee om wanorde op die manier te gebruiken - maar het werkt!"

De tweede benadering is gebaseerd op de versterkende werking van resonanties. Als de assemblage van minikristallen bolvormig is, bijvoorbeeld, met een diameter die ongeveer gelijk is aan de golflengte van het licht, de intensiteit in de bol wordt veelvuldig verhoogd door herhaalde reflectie van de lichtgolven van de wanden van de bol, en dus ook de opbrengst van frequentieverdubbeld licht. Daarom, om beide effecten tegelijkertijd optimaal te benutten, wilden de onderzoekers een ongeordend kristallijn poeder omvormen tot bolletjes ter grootte van een micrometer om de resonantieversterking van het licht te benutten. De afzonderlijke bariumtitanaatkristallen die ze voor dat doel wilden gebruiken, moesten erg klein zijn, slechts ongeveer 50 nanometer groot, zodat ze transparant genoeg waren om licht er vele malen doorheen te laten gaan en zo resonanties in de microsferen te creëren.

Een tip tijdens de koffiepauze

"Dus, we hadden dit geweldige idee, maar geen idee hoe je de vele kleine nanokristallen in perfecte microsferen kunt veranderen, "zegt Savo. "Dan, op een dag, we ontmoetten Lucio Isa tijdens de koffiepauze en vertelden hem over ons probleem - en hij had daar een idee voor ons." Isa's suggestie was om het nanokristalpoeder in water op te lossen, meng de oplossing met olie, en schud tenslotte alles krachtig - vergelijkbaar met wat je zou doen met een vinaigrette gemaakt van azijn en olie. In de emulsie die door dat proces is ontstaan, kleine belletjes van de waterkristaloplossing zullen zich dan vormen, waaruit het water geleidelijk door de olie verdampt. Uiteindelijk, klein, perfect gevormde bollen van ongeordende nanokristallen blijven, dat is precies waar Grange en haar medewerkers naar op zoek waren. "Van die tip de samenwerking met Isa's groep begon, " zegt Grange:"Overigens, zulke spontane samenwerkingen, die niet van tevoren zijn gepland, zijn vaak het meest vruchtbaar. Natuurlijk, we hebben meteen Isa's recept uitgeprobeerd."

Veelzijdigheid plus materiaalbesparing

En het recept werkte - zelfs beter dan je zou verwachten. "De frequentieverdubbeling met de kleine bollen gemaakt van ongeordende nanokristallen werkt onafhankelijk van de richting van het binnenkomende licht en over een breed frequentiebereik. Dit maakt het veel veelzijdiger dan frequentieverdubbeling met conventionele kristallen, " legt Savo uit. Bovendien de onderzoekers behaalden dezelfde opbrengst aan licht met verdubbelde frequentie met 70% minder materiaal. In tegenstelling tot gewone kristallen, waarbij de lichtopbrengst stopt met groeien boven een bepaalde grootte, het bleef toenemen met het volume van de microsferen.

Hoogwaardige laserkristallen uit poeder

Grange en haar collega's willen nu hun werkwijze verder verbeteren, bijvoorbeeld door een afstandhouder toe te voegen tussen de microbolletjes en het glasplaatje waarop ze rusten. Dit zou lichtverliezen moeten minimaliseren. De onderzoekers zijn ook gaan nadenken over mogelijke toepassingen. Het vooruitzicht om hoogwaardige niet-lineaire kristallen te produceren uit een eenvoudig en goedkoop nanokristalpoeder is interessant voor lasertechnologieën in het algemeen. Ook, het is mogelijk om de microsferen over grote oppervlakken te verspreiden. Dit zou kunnen leiden tot de productie van een nieuw type display dat beelden in het infraroodbereik direct omzet in zichtbare beelden door frequentieverdubbeling. Dergelijke displays kunnen vervolgens worden gebruikt in camera's voor beveiligings- en biowetenschappelijke toepassingen.