(PhysOrg.com) -- In een nieuwe studie, wetenschappers hebben aangetoond dat het eenvoudig aanpassen van de geometrische parameters op nanoschaal van diëlektrische structuren kan resulteren in een toename van de lichtintensiteit tot ongekende niveaus. theoretisch, ze berekenen dat de lichtintensiteit kan worden verhoogd tot 100, 000 keer die van de incidentintensiteit over grote volumes. Deze grote lichtverbetering zou kunnen leiden tot nieuwe ontwikkelingen in volledig optische schakel- en biosensing-toepassingen.

De onderzoekers, Rebecca Sainidou van de Spaanse Nationale Onderzoeksraad (CSIC), Jan Renger van het Instituut voor Fotonische Wetenschappen (ICFO), en coauteurs van verschillende instituten in Spanje, hebben hun studie over de nieuwe methode voor diëlektrische lichtverbetering gepubliceerd in een recent nummer van Nano-letters .

Zoals de wetenschappers uitleggen, een van de grootste problemen voor nanofotonische apparaten gemaakt van metaal is dat de metalen in deze apparaten wat licht absorberen, beperking van de algehele lichtintensiteit. Hier, de onderzoekers stelden voor om diëlektrische in plaats van metalen structuren te gebruiken, en beschreef drie verschillende arrangementen voor het bereiken van een grote lichtverbetering:diëlektrische golfgeleiders, diëlektrische deeltjesreeksen, en een hybride van deze twee structuren. In elk van de drie voorgestelde regelingen, de onderzoekers laten zien dat, door absorptieverliezen te onderdrukken, lichtenergie kan worden opgestapeld in resonantieholtes om extreem intense optische velden te creëren.

"Metalen structuren kunnen een vergelijkbaar niveau van verbetering produceren via gelokaliseerde plasmonexcitatie, maar alleen over beperkte volumes met een diameter van enkele nanometers, ” co-auteur Javier García de Abajo van CSIC vertelde PhysOrg.com . “In tegenstelling, ons werk omvat een enorme verbetering ten opzichte van grote volumes, waardoor optimaal gebruik wordt gemaakt van de geleverde lichtenergie voor uitgebreide biosensing-toepassingen en niet-lineaire optica. In metalen constructies, absorptie kan een probleem zijn vanwege mogelijke materiële schade en omdat het de beschikbare optische energie in het gebied van verbetering vermindert. Dit soort problemen is afwezig in onze diëlektrische structuren.

"Je zou een grote verbetering van de lichtintensiteit kunnen krijgen door deze simpelweg te verzamelen uit vele bronnen (bijv. door de uiteinden van veel optische vezels in de buurt van een gemeenschappelijk punt in de ruimte te plaatsen, of door licht te verzamelen dat afkomstig is van veel grootschalige spiegels). Maar dit klinkt als het verspillen van veel optische energie om alleen maar een verbeteringseffect te hebben in een klein gebied van de ruimte. Echter, dit is in wezen wat metalen structuren doen om licht te concentreren in zogenaamde optische hotspots met behulp van plasmonen. In tegenstelling tot, onze structuren concentreren het licht niet in kleine ruimtes:ze versterken het over grote volumes, en dit heeft belangrijke toepassingen. Deze versterking wordt gedaan door het gebruik van verdwijnende en versterkende optische golven, die geen energie transporteren, maar kan het accumuleren.”

Hoewel er in theorie geen bovengrens is aan de intensiteitsverbetering die deze structuren kunnen bereiken, fabricage-onvolkomenheden beperken de verbetering tot ongeveer 100, 000 keer die van de invallende lichtintensiteit. In een proof-of-principle demonstratie van de diëlektrische golfgeleideropstelling, de onderzoekers toonden een verbetering van de lichtintensiteit van een factor 100. De onderzoekers voorspellen dat deze matige verbetering gemakkelijk zou moeten worden verbeterd door de ruwheid van de interface te verminderen door zorgvuldiger fabricage, en werken momenteel aan experimenten om een ​​grotere lichtversterking aan te tonen.

Zoals de onderzoekers uitleggen, een deel van de "heilige graal" van het ontwerpen van nano-apparaten voor optische toepassingen is het vermogen om lichtverbetering te regelen, evenals lichtopsluiting en subgolflengte lichtgeleiding. Door de mogelijkheid aan te tonen om in grote volumes een extreem grote lichtintensiteit te bereiken, de onderzoekers hebben nieuwe mogelijkheden gecreëerd in veel nanofotonica-toepassingen. Bijvoorbeeld, nanofotonica-componenten zijn al gebruikt om kunstmatig magnetisme te produceren, negatieve breking, verhullen, en voor biodetectie.

“Bepaalde moleculen worden bij voorkeur in ons lichaam geproduceerd wanneer we aan bepaalde ziekten lijden (bijv. tumoren, infecties, enzovoort.), ' zei García de Abajo. “De detectie van deze moleculen kan soms een moeilijke taak zijn, omdat ze zelden in minieme concentraties worden aangetroffen. Een praktische manier om deze moleculen te detecteren, en zo de potentiële ziekte onthullen waarmee ze zijn geassocieerd, is door ze te verlichten en te zien hoe ze licht verstrooien of absorberen (bijv. hoe licht van verschillende kleuren door deze moleculen wordt geabsorbeerd of hoe ze de kleur van het licht veranderen). Daarom, het is belangrijk om het optische signaal dat deze moleculen produceren te versterken, zodat we er toegang toe hebben, zelfs als ze zich in zeer lage concentraties bevinden. Onze structuren doen precies dat:ze versterken het licht over grote volumes, zodat als de te detecteren moleculen in die volumes worden geplaatst, ze zullen gemakkelijker het opgemerkte optische signaal produceren (absorptie, kleur verandering, enzovoort.). Dit is dus een praktische manier om ziekten zoals kanker op te sporen.

“In een andere richting, lichtversterking is nuttig om een ​​niet-lineaire reactie op het externe licht te produceren, en dit kan direct worden toegepast om informatie te verwerken die is gecodeerd als optische signalen. Dit is een ambitieus doel dat nodig is om optische computers te fabriceren. Zulke computers zijn nog lang niet bereikbaar, maar er wordt verwacht dat ze een enorme toename van de reken- en communicatiesnelheid zullen opleveren. Onze structuren bieden een innovatieve manier om licht te gebruiken in apparaten voor informatieverwerking.”

Copyright 2010 PhysOrg.com.
Alle rechten voorbehouden. Dit materiaal mag niet worden gepubliceerd, uitzending, geheel of gedeeltelijk herschreven of herverdeeld zonder de uitdrukkelijke schriftelijke toestemming van PhysOrg.com.