En ny enhet designad av optikprofessorn Chunlei Guo och doktoranden Billy Lam är ett 'revolutionärt steg framåt' för att karakterisera laserstrålarnas egenskaper på ett mycket mer tillförlitligt och kraftfullt sätt än traditionella interferometrar. Kredit:J. Adam Fenster/University of Rochester
Om du vill få störst nytta av en ljusstråle - oavsett om du vill upptäcka en avlägsen planet eller åtgärda en aberration i det mänskliga ögat - måste du kunna mäta dess strålfrontsinformation.
Nu har ett forskargrupp vid University of Rochester tagit fram ett mycket enklare sätt att mäta ljusstrålar - även kraftfulla, supersnabba pulserade laserstrålar som kräver mycket komplicerade enheter för att karakterisera deras egenskaper.
Den nya enheten kommer att ge forskare en oöverträffad förmåga att finjustera även de snabbaste ljuspulserna för en mängd applikationer, säger Chunlei Guo, professor i optik, som har använt femtosekundpulserade laserstrålar för att behandla metallytor på anmärkningsvärda sätt. Och det kan göra traditionella instrument för mätning av ljusstrålar föråldrade.
"Detta är ett revolutionerande steg framåt, "säger Guo." Tidigare har vi varit tvungna att karakterisera ljusstrålar med mycket komplicerade, besvärliga interferometriska enheter, men nu kan vi göra det med bara en optisk kub. Det är superkompakt, super pålitlig, och super robust. "
Enheten, utvecklad av Guo och Billy Lam, en Ph.D. student i sitt labb, beskrivs i Nature Light:Vetenskap och tillämpningar . Kallade en körd reverseringsskärningsinterferometer, den består av en prismakub, monterad av två rätvinkliga prismor.
-Kuben har två vinklade ingångar och delar strålen i två delar.
När strålen lämnar kuben, det reflekterade ljuset från strålens vänstra del och det överförda ljuset från strålens högra del avges från kubens ena yta. Omvänt, det överförda ljuset från den vänstra delen av strålen och det reflekterade ljuset från den högra delen avges från en annan yta av kuben.
Detta skapar ett extremt stabilt "interferens" -mönster för Guo och hans team för att mäta alla viktiga rumsliga egenskaper hos en ljusstråle- dess amplitud, fas, polarisering, våglängd, och, vid pulserande strålar, pulsernas varaktighet. Och inte bara som ett genomsnitt längs hela strålen, men vid varje punkt av strålen.
Detta är särskilt viktigt vid bildbehandling, säger Guo. "Om en stråle inte är perfekt, och det finns en defekt på bilden, det är viktigt att veta att defekten beror på strålen, och inte på grund av en variation i objektet du avbildar, "Säger Guo.
Till vänster är den grundläggande designen av en traditionell interferometer, och till höger den mer kompakta designen av interferometern skapad i optikprofessorn Chunlei Guos labb. Denna nya kilomvändningsskärningsinterferometer har den extra fördelen att den kan mäta strålens främre information eller vågfronten av kraftfulla, supersnabba pulserade laserstrålar, Kredit:University of Rochester illustration / Michael Osadciw
"Helst, du bör ha en perfekt stråle för att göra avbildning. Och om du inte gör det, du vet det bättre, och sedan kan du korrigera dina mått. Ultrasnabba lasrar är nyckeln för registrering av dynamiska processer, och att ha en extremt enkel men robust enhet för att karakterisera ultrasnabb eller någon typ av laserstrålar är säkert viktigt. "
Albert Michaelson demonstrerade den första interferometern på 1880 -talet, med hjälp av en stråldelare och två speglar. Kärnprinciperna förblir desamma i interferometrar som används idag.
Stråldelaren skickar delat ljus på olika optiska vägar mot speglarna. Speglarna reflekterar sedan varje delad balk tillbaka så att de rekombineras vid stråldelaren. De olika vägarna som tas av de två delade strålarna orsakar en fasskillnad som skapar ett interferensfransmönster. Detta mönster analyseras sedan av en detektor för att utvärdera vågegenskaperna.
Detta tillvägagångssätt har fungerat ganska bra för att karakterisera kontinuerliga våglaserstrålar eftersom de har en lång "koherens" -tid, låta dem störa även efter att de delats, skickas längs två vägar av olika längd, och sedan kombineras igen, Säger Guo.
Dock, med tanke på den korta varaktigheten av en femtosekund pulserad laserstråle - ungefär en miljonedel av en miljarddel av en sekund - Enkel interferometer som skjuvplattan, där strålarna som reflekteras från den främre och bakre ytan stör, fungerar inte längre." säger Guo. Femtosekundspulsade laserstrålar skulle snabbt förlora sin koherens längs icke-ekvidistanta vägar för en typisk interferometer.
Prismakuben är utformad på ett sådant sätt att eliminera det problemet, han säger. Prismakuben är den första interferometern med ett enda element som kan karakterisera femtosekund eller ännu kortare laserpulser.
Femtosecond laserpulser erbjuder två fördelar. Deras otroligt korta varaktighet är jämförbar med de tidsramar vid vilka "väldigt många grundläggande processer i naturen sker, "Säger Guo. Dessa processer inkluderar en elektron som rör sig runt en atomkärna, "gitter" vibrationer av atomer och molekyler, och utvecklingen av biologiska proteiner. Så, femtosekund sista pulser ger forskare ett verktyg för att studera och manipulera dessa processer.
Femtosekundlaserpulser är också otroligt kraftfulla. "Toppeffekten för en femtosekundlaserpuls i mitt laboratorium motsvarar hela det nordamerikanska elnätet, "Säger Guo. Det gör att hans laboratorium kan använda laserpulserna för att etsa metallytor med nya egenskaper, så de blir supervattenavvisande eller vattentraktiva.
