(Phys.org) — Toegepaste natuurkundigen van de Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hebben aangetoond dat ze de intensiteit kunnen veranderen, fase, en polarisatie van lichtstralen met behulp van een hologramachtig ontwerp versierd met structuren op nanoschaal.

Als bewijs van principe, de onderzoekers hebben het gebruikt om een ​​ongebruikelijke staat van licht te creëren, een radiaal gepolariseerde straal genaamd, wat - omdat het heel strak kan worden gefocust - belangrijk is voor toepassingen zoals lithografie met hoge resolutie en voor het vangen en manipuleren van kleine deeltjes zoals virussen.

Dit is de eerste keer dat een enkele, eenvoudig apparaat is ontworpen om deze drie belangrijke eigenschappen van licht tegelijk te regelen. (Fase beschrijft hoe twee golven interfereren om elkaar te versterken of op te heffen, afhankelijk van hoe hun toppen en dalen elkaar overlappen; polarisatie beschrijft de richting van lichttrillingen; en de intensiteit is de helderheid.)

"Ons lab werkt aan het gebruik van nanotechnologie om met licht te spelen, " zegt Patrice Genevet, een onderzoeksmedewerker bij Harvard SEAS en mede-hoofdauteur van een paper dat deze maand in Nano-letters . "Bij dit onderzoek we hebben holografie op een nieuwe manier gebruikt, met geavanceerde nanotechnologie in de vorm van subgolflengtestructuren op een schaal van slechts tientallen nanometers." Eén nanometer is gelijk aan een miljardste van een meter.

Genevet werkt in het laboratorium van Federico Capasso, Robert L. Wallace Hoogleraar Toegepaste Natuurkunde en Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering aan Harvard SEAS. Capasso's onderzoeksgroep heeft zich de afgelopen jaren gericht op nanofotonica - de manipulatie van licht op nanometerschaal - met als doel nieuwe lichtstralen en speciale effecten te creëren die voortkomen uit de interactie van licht met nanogestructureerde materialen.

Met behulp van deze nieuwe nanogestructureerde hologrammen, de Harvard-onderzoekers hebben conventionele, circulair gepolariseerd laserlicht in radiaal gepolariseerde bundels op golflengten die het technologisch belangrijke zichtbare en nabij-infrarode lichtspectrum overspannen.

"Als licht radiaal gepolariseerd is, zijn elektromagnetische trillingen oscilleren naar binnen en naar buiten vanuit het midden van de straal als de spaken van een wiel, " legt Capasso uit. "Deze ongewone bundel manifesteert zich als een zeer intense lichtring met een donkere vlek in het midden."

"Het is opmerkelijk, " Capasso wijst erop, "dat dezelfde holografische plaat met nanostructuur kan worden gebruikt om radiaal gepolariseerd licht op zoveel verschillende golflengten te creëren. Radiaal gepolariseerd licht kan veel strakker worden gefocust dan conventioneel gepolariseerd licht, waardoor veel potentiële toepassingen in microscopie en manipulatie van nanodeeltjes mogelijk zijn."

Het nieuwe apparaat lijkt op een normaal hologramrooster met een extra, nanogestructureerd patroon erin gekerfd. Zichtbaar licht, met een golflengte in de honderden nanometers, werkt anders samen met openingen die getextureerd zijn op de 'nano'-schaal dan met die op de schaal van micrometers of groter. Door gebruik te maken van dit gedrag, de modulaire interface kan inkomend licht buigen om de intensiteit aan te passen, fase, en polarisatie.

Hologrammen, behalve dat het een hoofdbestanddeel van sciencefiction-universums is, vind veel toepassingen in beveiliging, zoals de holografische panelen op creditcards en paspoorten, en er worden momenteel nieuwe op digitale hologrammen gebaseerde methoden voor gegevensopslag ontworpen om de huidige systemen mogelijk te vervangen. Het bereiken van een nauwkeurig afgestemde controle van het licht is van cruciaal belang voor het bevorderen van deze technologieën.

"Nutsvoorzieningen, u kunt alles bedienen wat u nodig heeft met slechts één enkele interface, " zegt Genevet, erop wijzend dat het polarisatie-effect dat de nieuwe interface heeft op licht voorheen alleen kon worden bereikt door een cascade van verschillende optische elementen. "We behalen een groot voordeel op het gebied van ruimtebesparing."

De demonstratie van dit nanogestructureerde hologram is pas recent mogelijk geworden met de ontwikkeling van krachtigere software en nanofabricagetechnologieën met een hogere resolutie.

Het onderliggende ontwerp is complexer dan een simpele superpositie van nanostructuren op het hologram. De fase en polarisatie van licht werken nauw samen, dus de structuren moeten worden ontworpen met beide resultaten in gedachten, met behulp van moderne rekentools.

Verder onderzoek zal gericht zijn op het maken van complexere gepolariseerde hologrammen en het optimaliseren van de output-efficiëntie van het apparaat.