Ett forskarlag har utvecklat en ny teknik som möjliggör exakt spatiotemporal kontroll av terahertzvågor när de passerar genom oordnade material.
Metoden, publicerad i ACS Photonics , kan leda till framsteg inom medicinsk bildbehandling, kommunikation och andra tillämpningar som förlitar sig på bredbands-terahertz-pulser. Forskningen utfördes som en del av Europeiska unionens ERC-projekt TIMING, och teamet inkluderade medlemmar från Loughboroughs Emergent Photonics Research Center i samarbete med Prof Jacopo Bertolotti från Exeter University.
Inom optikens område har den traditionella uppfattningen länge sett oordnade system – som att titta genom frostat glas – som en gräns för klarhet. Ungefär som hur dimma, en oordnad fördelning av vattenpartiklar, sprider ljus och suddar vår syn, sprider dessa material ljus på oförutsägbara sätt. Men den här nya studien visar att vi kan utnyttja denna spridning till vår fördel.
Ett mer modernt tillvägagångssätt som skildrar dessa objekt som "komplexa medier" avslöjar ett slående annorlunda narrativ. Nyckeln ligger i att förstå att även om informationen verkligen är förvrängd inom dessa system, går den inte oåterkallelig förlorad och att denna kryptering kan användas för att manipulera ljuset självt.
Terahertzvågor är en form av elektromagnetisk strålning med våglängd som ligger mellan mikrovågor och infrarött ljus. De representerar bryggan mellan elektronik och fotonik, vilket gör dem anmärkningsvärt svåra att generera detektera och manipulera. Ändå är de mycket eftertraktade och unika eftersom terahertzvågor kan penetrera material som kläder, papper och plast och erbjuda tydliga bilder utan joniserande skador från röntgenstrålar, och de kan bära exceptionellt högpresterande kommunikationslänkar.
Emellertid blir terahertzvågor förvrängda när de fortplantar sig genom komplexa strukturer som vissa biologiska vävnader eller tekniska strukturer. Faktum är att avbildning genom komplexa medier är en utmaning, men också en möjlighet.
I den här studien använde forskarna en speciell sorts ultrasnabb laser, känd för sina extremt korta pulser, för att skapa mönster av terahertz-pulser (med varaktighet på några pikosekunder).
När dessa mönster interagerade med komplext spridningsmaterial, manipulerade forskarna laserns belysning genom att använda en specialdesignad genetisk algoritm som efterliknar processen med naturlig evolution för att lösa komplexa problem.
Som ett resultat fick de kontroll över hur terahertzvågor fördelar sig i rymden och utvecklas i tid efter material. På ett sätt komponerar denna nivå av kontroll om delar av vågen som förvrängts av spridningen, i en ny form med önskade mönster och färger.
"Det är anmärkningsvärt att komplexa medier fungerar som sofistikerade enheter som manipulerar terahertzvågor på sätt utom räckhåll inom tekniken, och ändå är de faktiskt mycket lättillgängliga slumpmässiga partiklar", säger Dr. Vittorio Cecconi, huvudforskare för studien. Han fortsätter:"Detta öppnar nya möjligheter för att utnyttja terahertzvågor i avbildnings- och avkänningsapplikationer där spridning är ett problem."
Även om detta tillvägagångssätt har multidisciplinära förgreningar, vid terahertz, möjliggörs det av tillgången på metoder för att mäta utvecklingen av det terahertz elektriska fältet i tider, på sätt som liknar funktionen hos ett oscilloskop. Ändå är detta mycket ovanligt inom fotonik eftersom det elektriska fältet (mängden som svänger i elektromagnetiska vågor) i allmänhet inte är mätbart för ljus, där den allmänt tillgängliga kvantiteten via fotodetektorn är intensiteten.
Denna specifika skillnad möjliggör en metod som kallas icke-linjär spökavbildningsdesign för att få rumtidsinformation om vågor och hur de interagerar med optiska material.
"Synergin mellan icke-linjär spökavbildning och komplexa media möjliggjorde denna forskning och låser upp flera potentiella avancerade applikationer, som terahertz-datorer," sa Dr. Cecconi.
Prof Peccianti, chef för centret och huvudutredare för ERC-projektet TIMING, betonade centrets uppdrag och sa:"På Emergent Photonics Research Center är vår grundsatsning att utforska skärningspunkten mellan ultrasnabb fotonik och komplexitet. Här överskrider ljus dess traditionell roll som enbart belysning och utvecklas till ett kraftfullt verktyg som omedelbart kan fånga och bearbeta en stor mängd information – som markerar vägen till en ny teknisk innovation."
Mer information: Vittorio Cecconi et al, Terahertz Spatiotemporal Wave Synthesis in Random Systems, ACS Photonics (2024). DOI:10.1021/acsphotonics.3c01671
Tillhandahålls av Loughborough University
