Från mikroskop till dataöverföring via optiska fibrer ända till modern kvantteknik, ljus spelar en viktig roll inom vetenskap och industri. Särskilt metoder för att ändra färg - och därmed frekvensen och våglängden - för ljus är av stor betydelse i moderna tillämpningar. Dessa metoder kräver användning av olinjära kristaller. I sådana kristaller, två fotoner med en viss frekvens kan, till exempel, förvandlas till en foton med dubbelt så hög frekvens - säg två röda till en enda blå.

För att det ska fungera, dock, ljuset måste vanligtvis träffa kristallen i en specifik riktning och med en specifik polarisering. Denna så kallade fasmatchning begränsar ofta kraftigt praktiska tillämpningar. Ett team av forskare under ledning av ETH -professor Rachel Grange vid Institute for Quantum Electronics, tillsammans med gruppen Lucio Isa vid Institutionen för material, har nu utvecklat en metod där effektiv frekvensfördubbling kan uppnås utan sådan finjustering, och som också har andra fördelar jämfört med konventionella metoder.

Till synes oförsonliga tillvägagångssätt

Forskarnas recept kan grovt sammanfattas så här:ganska litet än stort, och en röra är bättre än ordning. Det låter mystiskt, men uppgiften som Granges team hade satt sig var en lika stor gåta:"För en bättre och mer allmänt tillämpbar frekvensfördubbling, vi ville kombinera två tillvägagångssätt som inte riktigt passar ihop, säger Romolo Savo, som ledde projektet som postdoc inom ramen för ett Marie-Skłodowska-Curie-stipendium.

I det första tillvägagångssättet, istället för en enda stor kristall använder man en samling av massor av minikristaller vars individuella kristallaxlar pekar i slumpmässiga riktningar. På det sättet, det är inte längre nödvändigt att strikt kontrollera riktningarna för de inkommande ljusstrålarna. Bland de många minikristallerna kommer det att finnas några som är positivt orienterade och några som är ogynnsamma, men totalt sett kommer de alltid att producera en betydande mängd frekvensfördubblat ljus. "Det låter kontraintuitivt, "Savo medger, "och några av våra kollegor undrade verkligen tanken på att använda oordning på det sättet - men det fungerar!"

Det andra tillvägagångssättet är baserat på den förbättrade effekten av resonanser. Om montering av minikristaller är sfärisk, till exempel, med en diameter som är ungefär lika med ljusets våglängd, intensiteten inuti sfären ökas mångfaldigt genom upprepad reflektion av ljusvågorna från sfärens väggar, och därmed också utbytet av frekvensdubblat ljus. Därför, för att optimalt utnyttja båda effekterna samtidigt ville forskarna forma ett stört kristallint pulver till sfärer i mikrometerstorlek för att utnyttja resonansförbättringen av ljuset. De enskilda bariumtitanatkristallerna som de tänkte använda för detta ändamål måste vara mycket små, endast cirka 50 nanometer i storlek, så att de var tillräckligt transparenta för att låta ljus passera genom dem många gånger och på så sätt skapa resonanser i mikrosfärerna.

Ett tips under fikapausen

"Så, vi hade denna fantastiska idé, men ingen aning om hur man gör de många små nanokristallerna till perfekta mikrosfärer, "säger Savo." Sedan, en dag, vi träffade Lucio Isa under fikapausen och berättade om vårt problem - och han hade en idé för oss just där. "Isa förslag var att lösa upp nanokristallpulvret i vatten, blanda lösningen med olja, och skaka slutligen allt kraftigt - på samma sätt som man skulle göra med en vinägrett gjord av ättika och olja. Inuti emulsionen som skapades av den processen, små bubblor av vatten-kristallösningen bildas då, från vilket vattnet gradvis avdunstar genom oljan. I slutet, mycket liten, perfekt formade sfärer av störda nanokristaller finns kvar, vilket är exakt vad Grange och hennes medarbetare var ute efter. "Från det tipset, samarbetet med Isas grupp startade, "säger Grange:" För övrigt, sådana spontana samarbeten, som inte har planerats i förväg, är ofta de mest fruktbara. Självklart, vi försökte genast Isas recept. "

Mångsidighet plus materialbesparingar

Och receptet fungerade - ännu bättre än man kan förvänta sig. "Frekvensfördubblingen med de små sfärerna gjorda av oordnade nanokristaller fungerar oberoende av riktningen för det inkommande ljuset såväl som över ett brett frekvensområde. Detta gör det mycket mer mångsidigt än frekvensfördubbling med konventionella kristaller, "Förklarar Savo. Utöver det, forskarna fick samma utbyte av frekvensfördubblat ljus med 70% mindre material. I motsats till vanliga kristaller, för vilket ljusutbytet slutar växa bortom en viss storlek, den fortsatte att öka med volymen av mikrosfärerna.

Laserkristaller av hög kvalitet från pulver

Grange och hennes kollegor vill nu ytterligare förbättra sin metod, till exempel genom att lägga till en distans mellan mikrosfärerna och glasrutan som de vilar på. Detta bör minimera ljusförluster. Forskarna har också börjat tänka på möjliga tillämpningar. Utsikterna att producera högpresterande olinjära kristaller från ett enkelt och billigt nanokristallpulver är intressant för laserteknik i allmänhet. Också, det är möjligt att sprida mikrosfärerna över stora områden. Detta kan leda till produktion av en ny typ av bildskärm som direkt konverterar bilder i det infraröda området till synliga bilder genom frekvensfördubbling. Sådana skärmar kan sedan användas i kameror för säkerhets- och biovetenskapliga applikationer.