Genom att använda ljusvågor istället för elektrisk ström för att överföra data, fotoniska chips - kretsar för ljus - har avancerad grundforskning inom många områden från tidtagning till telekommunikation. Men för många applikationer, de smala ljusstrålarna som passerar dessa kretsar måste vidgas väsentligt för att ansluta till större, off-chip system. Bredare ljusstrålar kan öka hastigheten och känsligheten för medicinsk bildbehandling och diagnostiska procedurer, säkerhetssystem som upptäcker spårmängder av giftiga eller flyktiga kemikalier och enheter som är beroende av analys av stora grupper av atomer.

Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har nu utvecklat en mycket effektiv omvandlare som förstorar diametern på en ljusstråle med 400 gånger. NIST -fysikern Vladimir Aksyuk och hans kollegor, inklusive forskare från University of Maryland NanoCenter i College Park, Maryland, och Texas Tech University i Lubbock, beskrev deras arbete i tidningen Ljus:Vetenskap och tillämpningar .

Omvandlaren vidgar tvärsnittet, eller strålens område, i två på varandra följande etapper. Initialt, ljuset rör sig längs en optisk vågledare - en tunn, transparent kanal vars optiska egenskaper begränsar strålens diameter till några hundra nanometer, mindre än en tusendel av medeldiametern på ett människohår. Eftersom vågledarkanalen är så smal, en del av det rörliga ljuset sträcker sig utåt utanför vågledarens kanter. Att dra nytta av denna breddning, laget placerade en rektangulär platta bestående av samma material som vågledaren en liten, exakt uppmätt avstånd från vågledaren. Ljuset kan hoppa över det lilla gapet mellan de två komponenterna och gradvis läcka in i plattan.

Plattan bibehåller ljusets smala bredd i den vertikala (topp-till-botten) dimensionen, men det ger inga sådana begränsningar för sidled, eller i sidled, dimensionera. När gapet mellan vågledaren och plattan gradvis förändras, ljuset i plattan bildar en exakt riktad stråle 400 gånger bredare än den ursprungliga strålens cirka 300 nm diameter.

I det andra steget av utbyggnaden, som förstorar ljusets vertikala dimension, strålen som färdas genom plattan stöter på ett diffraktionsgaller. Denna optiska enhet har periodiska härskningar eller linjer, var och en sprider ljus. Teamet designade djupet och avståndet mellan domarna för att variera så att ljusvågorna kombineras, bilda en enda bred stråle riktad i nästan en rät vinkel mot chipets yta.

Viktigt, ljuset förblir kollimerat, eller exakt parallellt, under hela tvåstegs expansionsprocessen, så att den håller sig på mål och inte breder ut sig. Området för den kollimerade strålen är nu tillräckligt stort för att kunna resa den långa sträckan som behövs för att undersöka de optiska egenskaperna hos stora diffusa grupper av atomer.

Arbetar med ett team som leds av John Kitching från NIST i Boulder, Colorado, forskarna har redan använt tvåstegsomvandlaren för att framgångsrikt analysera egenskaperna hos cirka 100 miljoner gasformiga rubidiumatomer när de hoppade från en energinivå till en annan. Det är ett viktigt proof-of-concept eftersom enheter baserade på interaktioner mellan ljus och atomgaser kan mäta mängder som tid, längd och magnetfält och har tillämpningar inom navigering, kommunikation och medicin.

"Atomer rör sig väldigt snabbt, och om strålen som övervakar dem är för liten, de rör sig in och ut ur strålen så snabbt att det blir svårt att mäta dem, "sa Kitching." Med stora laserstrålar, atomerna stannar längre i strålen och möjliggör mer exakt mätning av atomegenskaperna, "tillade han. Sådana mätningar kan leda till förbättrade våglängder och tidsstandarder.

Denna berättelse publiceras på nytt med tillstånd av NIST. Läs originalberättelsen här.