Ett nytt strålmönster utarbetat av University of Rochester-forskare kan ge oöverträffad skärpa till ultraljud och radarbilder, bränna exakta hål i tillverkade material i nanoskala – till och med etsa in nya egenskaper på deras ytor.

Detta är bara några av föremålen på "julgranen" med möjliga tillämpningar för strålmönstret som Miguel Alonso, professor i optik, och Kevin Parker, William F. May professor i teknik, beskriva i en färsk tidning i Optik Express .

Mönstret är resultatet av vad Parker kallar "en analytiskt vacker matematisk lösning" som Alonso utarbetade. Det får en ljus- eller ljudvåg att kollapsa inåt, bildar – under bara en nanosekund eller mindre – en otroligt tunn, intensiv stråle innan vågen expanderar utåt igen.

"All energi passar ihop i tid och rum så den kommer samman – BAM! – som ett crescendo, säger Parker, explosivt klappade händerna för att betona. "Det kan göras med en optisk ljusvåg, med ultraljud, radar, ekolod - det kommer att fungera för dem alla."

De flesta traditionella strålmönster bibehåller en beständig form så länge som källan är i drift. Dock, de är inte lika intensiva som strålen skapad av Parker och Alonso, som forskarna kallar en "nålpulsstråle". "Det är väldigt lokaliserat, utan förlängningar eller sidolober som skulle föra bort energi från helljuset, säger Alonso.

Sidolober, strålar ut från en stråle som glororna som ibland ses runt en bilstrålkastare, är särskilt problematiska vid ultraljud. "Sidoloberna är fienden, " säger Alonso. "Du vill rikta hela din ultraljudsvåg till det du vill avbilda, dåså, vad som än reflekteras tillbaka kommer att berätta om den ena saken. Om du också får en spridning av vågor någon annanstans, det gör bilden suddig."

Eftersom det är otroligt smalt, den nya strålen "gör det möjligt att lösa saker med utsökta upplösningar, där du behöver separera små saker som är nära varandra, " Parker säger, och tillägger att strålen inte bara kan användas för ultraljud, men mikroskopi, radar, och ekolod.

Enligt Alonso, industriella tillämpningar kan inkludera alla former av lasermaterialbearbetning som innebär att så mycket ljus som möjligt på en given linje.

Idén till nålpulsstrålen har sitt ursprung hos Parker, expert på ultraljud, som för inspiration ofta granskar matematiska funktioner från ett sekel eller mer sedan i de "urgamla texterna".

"Jag kunde se en generell form av lösningen, men jag kunde inte komma förbi ekvationen, " säger han "Så jag gick till personen (Alonso) som jag anser vara världens ledande expert på optisk teori och matematik."

De kom på olika uttryck som var "matematiskt korrekta, " Alonso säger, men motsvarade strålar som kräver en oändlig mängd energi. Lösningen - "ett speciellt matematiskt trick" som kan gälla en stråle med ändlig energi - kom till honom när han simmade med sin fru i Lake Ontario.

"Många av de idéer jag har händer inte vid mitt skrivbord, " Alonso säger. "Det händer när jag cyklar, eller i duschen, eller simma, eller göra något annat – borta från allt pappersarbete."

Parker säger att denna upptäckt fortsätter ett internationellt uppdrag som började vid University of Rochester. 1986 – inför världsomspännande skepsis – ett universitetsteam inklusive Joseph Eberly, Andrew Carnegie professor i fysik och professor i optik, erbjudit bevis på ett oväntat nytt, diffraktionsfri ljusform. Den så kallade Bessel-balken används nu flitigt.

Läs 1986 års studie, "Diffraktionsfria strålar"

"Det hade gått årtionden sedan någon formulerade en ny typ av balk, " Säger Parker. "Då, så snart Bessel-strålen tillkännagavs, folk trodde att det kan finnas andra nya balkar där ute. Loppet var igång.

"Att hitta ett nytt strålmönster är som att hitta ett nytt element. Det händer inte så ofta."