Brown University forskare har utvecklat en ny metod för att manipulera polariseringen av ljus vid terahertz-frekvenser.

Tekniken använder staplar av noggrant åtskilda metallplattor för att göra en polariserande stråldelare, en enhet som delar en ljusstråle genom dess olika polarisationstillstånd, sänder vertikalt polariserat ljus i en riktning och horisontellt polariserat ljus i en annan. En sådan stråldelare kan vara användbar i en mängd olika system som använder terahertzstrålning, från bildsystem till framtida kommunikationsnätverk.

I bildvärlden, förmågan att leverera och detektera strålning vid olika polarisationer kan vara användbar vid terahertzmikroskopi och materialkarakterisering. Inom kommunikation, polariserade strålar kan göra det möjligt för flera dataströmmar att skickas ner på samma medium utan störningar.

"Denna stack-of-plates-idé har fördelar jämfört med traditionella metoder för att manipulera polarisering i terahertz-regionen, sa Dan Mittleman, en professor vid Brown's School of Engineering och senior författare till en forskningsartikel som beskriver arbetet i tidskriften Vetenskapliga rapporter . "Det är billigare och fysiskt mer robust än andra metoder, och det är mer mångsidigt vad det tillåter oss att göra."

Rajind Mendis, en forskarassistent vid Brown, ledde arbetet tillsammans med Mittleman, Brown doktorand Wei Zhang och Masaya Nagai, en docent vid Osaka University i Japan.

Terahertzområdet är sträckan av det elektromagnetiska spektrumet mellan mikrovågs- ​​och infraröda frekvenser. Användning av terahertzvågor i tekniska tillämpningar som spektroskopi, avkänning, bildbehandling och kommunikation med ultrahög bandbredd växer, och forskare arbetar med att utveckla de hårdvarukomponenter som krävs för att bygga dessa avancerade terahertz-system.

Polarisering hänvisar till orienteringen av en elektromagnetisk vågs toppar och dalar när vågen fortplantar sig. Om en våg fortplantar sig mot dig, topparna och dalarna kan orienteras vertikalt, horisontellt eller någonstans däremellan.

"Polarisering är en av nyckelegenskaperna hos alla elektromagnetiska vågor, ", sa Mittleman. "Att kunna manipulera polarisering - att mäta den eller ändra den - är en av de viktiga förmågorna du behöver i alla elektromagnetiska system."

I det synliga ljussfären, till exempel, manipulering av polarisering används för att skapa moderna 3D-filmer och för att göra solglasögon som minskar bländningen av reflekterat ljus. Polariserande solglasögon tillverkas genom att polymersträngar arrangeras horisontellt i linser som stänger på en fängelsecell. Dessa trådar tillåter ljus som är polariserat vertikalt att passera igenom, samtidigt som det blockerar horisontellt polariserat ljus, vilket är det dominerande polariseringstillståndet för ljus som reflekteras från blanka ytor som bilar och vatten.

Befintliga metoder för att manipulera polarisering i terahertz-området är mycket lika tekniken som används vid polariserande solglasögon, om än skalad till de mycket längre våglängderna av terahertzljus jämfört med synligt ljus. Polariserande filter för terahertz är i allmänhet en uppsättning metalltrådar med några mikrometer i diameter och åtskilda flera mikrometer.

Den nya tekniken som Brown och Osaka-teamet utvecklade ersätter trådarna med en stapel med tätt placerade stålplåtar. Varje par av plattor bildar vad som kallas en vågledare med parallella plattor. När terahertz-ljus lyser på stapeln i en 45-graders vinkel, den delar upp strålen genom att excitera två vågledarlägen. En stråle av vertikalt polariserat ljus passerar rakt genom enheten, medan en annan stråle av horisontellt polariserat ljus reflekteras i en 90-graders vinkel från den ursprungliga strålaxeln.

Tekniken har ett antal fördelar jämfört med traditionella trådfilter, säger forskarna. Arkitekturen med tallrikar, som är känt som ett "artificiellt dielektrikum, "är lätt att göra, och materialen är billiga. Plattorna är också mycket mindre ömtåliga än trådar.

"Det artificiella dielektriska konceptet gör också enheten mer mångsidig, Mendis sa. "Enheten kan enkelt ställas in för användning vid olika terahertz-frekvenser helt enkelt genom att ändra storleken på distanserna som separerar plattorna eller genom att ändra belysningsvinkeln."

En annan fördel är att med tillägget av en andra liknande artificiell-dielektrisk struktur, forskarna kunde bygga en enhet som kallas en isolator. Isolatorer används på kraftfulla lasrar för att förhindra att ljus reflekteras tillbaka till en lasersändare, som kan destabilisera eller till och med skada den. En terahertz-isolator kan vara en viktig komponent för framtida högeffektiva terahertz-enheter.

Brown och Osaka-teamet håller på att patentera de nya artificiella dielektriska enheterna, och forskarna hoppas på att dessa enheter kommer att möjliggöra utvecklingen av nya terahertz-system med mycket bättre kapacitet.

"I allt du kanske vill göra med ett optiskt system, det är användbart att kunna manipulera polarisering, " Sa Mittleman. "Detta är en enkel, effektiv, effektivt och mångsidigt sätt att göra det."