Schematisk visar en ny teknik för att omforma egenskaperna hos en ultrasnabb ljuspuls. En inkommande ljuspuls (vänster) sprids i dess olika ingående frekvenser, eller färger, och riktad in i en metayta som består av miljontals små kiselpelare och en integrerad polarisator. Nanopelarna är speciellt utformade för att samtidigt och oberoende forma sådana egenskaper hos varje frekvenskomponent som dess amplitud, fas eller polarisation. Den sända strålen kombineras sedan om för att uppnå en ny formmodifierad puls (höger). Kredit:S. Kelley/NIST
Föreställ dig att kunna forma en ljuspuls på alla tänkbara sätt – att komprimera den, sträcker det, dela den i två, ändra dess intensitet eller ändra riktningen på dess elektriska fält.
Att kontrollera egenskaperna hos ultrasnabba ljuspulser är avgörande för att skicka information genom optiska höghastighetskretsar och för att sondera atomer och molekyler som vibrerar tusentals biljoner gånger i sekunden. Men standardmetoden för pulsformning - med hjälp av enheter som kallas rumsliga ljusmodulatorer - är kostsam, skrymmande och saknar den finkontroll som forskarna alltmer behöver. Dessutom, dessa enheter är vanligtvis baserade på flytande kristaller som kan skadas av samma pulser av högintensivt laserljus som de designades för att forma.
Nu har forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) och University of Marylands NanoCenter i College Park utvecklat en ny och kompakt metod för att skulptera ljus. De avsatte först ett lager av ultratunt kisel på glas, bara några hundra nanometer (miljarddelar av en meter) tjock, och täckte sedan en rad miljontals små kvadrater av kislet med ett skyddande material. Genom att etsa bort kislet som omger varje kvadrat, laget skapade miljontals små pelare, som spelade en nyckelroll i ljusskulpturtekniken.
Lägenheten, ultratunn enhet är ett exempel på en metayta, som används för att ändra egenskaperna hos en ljusvåg som färdas genom den. Genom att noggrant utforma formen, storlek, densitet och fördelning av nanopelarna, flera egenskaper för varje ljuspuls kan nu skräddarsys samtidigt och oberoende med nanoskala precision. Dessa egenskaper inkluderar amplituden, vågens fas och polarisering.
En ljusvåg, en uppsättning oscillerande elektriska och magnetiska fält orienterade i rät vinkel mot varandra, har toppar och dalar som liknar en havsvåg. Om du står i havet, vågens frekvens är hur ofta topparna eller dalarna går förbi dig, amplituden är höjden på vågorna (dala till topp), och fasen är där du är i förhållande till topparna och dalarna.
"Vi kom på hur man oberoende och samtidigt manipulerar fasen och amplituden för varje frekvenskomponent i en ultrasnabb laserpuls, " sa Amit Agrawal, av NIST och NanoCenter. "För att uppnå detta, vi använde noggrant designade uppsättningar av kiselnanopelare, en för varje ingående färg i pulsen, och en integrerad polarisator tillverkad på baksidan av enheten."
När en ljusvåg färdas genom en uppsättning kiselnanopelare, vågen saktar ner jämfört med dess hastighet i luft och dess fas är fördröjd – ögonblicket när vågen når sin nästa topp är något senare än den tidpunkt då vågen skulle ha nått sin nästa topp i luften. Storleken på nanopelarna bestämmer hur mycket fasen förändras, medan nanopelarnas orientering ändrar ljusvågens polarisering. När en enhet känd som en polarisator är fäst på baksidan av kisel, förändringen i polarisation kan översättas till en motsvarande förändring i amplitud.
Ett mer detaljerat schema över pulsformningsinställningen. En inkommande ljuspuls (vänster) diffrakterar från ett gitter, som sprider pulsen i dess olika frekvenser, eller färger. En parabolisk spegel omdirigerar sedan det spridda ljuset till en kiselyta etsad med miljontals små pelare. Nanopelarna är speciellt utformade för att samtidigt och oberoende forma sådana egenskaper hos varje frekvenskomponent som dess amplitud, fas eller polarisation. En andra parabolisk spegel och diffraktionsgitter rekombinerar sedan de separerade komponenterna till en nybildad puls (höger). Kredit:T. Xu/Nanjing University
Ändra fasen, amplitud eller polarisering av en ljusvåg på ett mycket kontrollerat sätt kan användas för att koda information. Den snabba, finjusterade förändringar kan också användas för att studera och förändra resultatet av kemiska eller biologiska processer. Till exempel, förändringar i en inkommande ljuspuls kan öka eller minska produkten av en kemisk reaktion. På dessa sätt, nanopelarmetoden lovar att öppna nya vyer i studiet av ultrasnabba fenomen och höghastighetskommunikation.
Agrawal, tillsammans med Henri Lezec från NIST och deras medarbetare, beskriv fynden online idag i tidskriften Vetenskap .
"Vi ville utöka inverkan av metasytor utöver deras typiska tillämpning – att ändra formen på en optisk vågfront spatialt – och använda dem istället för att ändra hur ljuspulsen varierar i tiden, sa Lezec.
En typisk ultrasnabb laserljuspuls varar bara i några femtosekunder, eller en tusendels biljondels sekund, för kort för att någon enhet ska kunna forma ljuset vid ett visst ögonblick. Istället, Agrawal, Lezec och deras kollegor utarbetade en strategi för att forma de individuella frekvenskomponenterna eller färgerna som utgör pulsen genom att först separera ljuset i dessa komponenter med en optisk enhet som kallas ett diffraktionsgitter.
Varje färg har olika intensitet eller amplitud – liknande hur en musikalisk överton är sammansatt av många individuella toner som har olika volym. När den riktas in i den nanopelare-etsade kiselytan, olika frekvenskomponenter träffade olika uppsättningar av nanopelare. Varje uppsättning av nanopelare skräddarsyddes för att ändra fasen, intensitet eller elektrisk fältorientering (polarisering) av komponenter på ett speciellt sätt. Ett andra diffraktionsgitter rekombinerade sedan alla komponenterna för att skapa den nyformade pulsen.
Forskarna designade sitt nanopelarsystem för att fungera med ultrasnabba ljuspulser (10 femtosekunder eller mindre, motsvarande en hundradels biljondels sekund) sammansatt av ett brett spektrum av frekvenskomponenter som spänner över våglängder från 700 nanometer (synligt rött ljus) till 900 nanometer (nära-infrarött). Genom att samtidigt och oberoende ändra amplituden och fasen för dessa frekvenskomponenter, forskarna visade att deras metod kunde komprimera, dela och förvränga pulser på ett kontrollerbart sätt.
Ytterligare förbättringar av enheten kommer att ge forskarna ytterligare kontroll över tidsutvecklingen av ljuspulser och kan göra det möjligt för forskare att i utsökt detalj forma individuella linjer i en frekvenskam, ett exakt verktyg för att mäta frekvenserna av ljus som används i sådana enheter som atomur och för att identifiera planeter runt avlägsna stjärnor.
