(PhysOrg.com) -- I en ny studie, forskare har visat att enbart anpassning av de geometriska parametrarna i nanoskala för dielektriska strukturer kan resultera i en ökning av ljusintensiteten till oöverträffade nivåer. Teoretiskt sett, de beräknar att ljusintensiteten kan ökas till upp till 100, 000 gånger så stor som incidentintensiteten över stora volymer. Denna stora ljusförbättring kan leda till nya utvecklingar inom helt optiska switchar och biosensingapplikationer.
Forskarna, Rebecca Sainidou från det spanska nationella forskningsrådet (CSIC), Jan Renger från Institutet för fotoniska vetenskaper (ICFO), och medförfattare från olika institut i Spanien, har publicerat sin studie om den nya metoden för dielektrisk ljusförbättring i ett färskt nummer av Nanobokstäver .
Som forskarna förklarar, ett av de största problemen för nanofotoniska enheter gjorda av metall är att metallerna i dessa enheter absorberar en del ljus, begränsar den totala ljusintensiteten. Här, forskarna föreslog att använda dielektriska snarare än metalliska strukturer, och beskrev tre olika arrangemang för att uppnå en stor ljusförbättring:dielektriska vågledare, dielektriska partikelmatriser, och en hybrid av dessa två strukturer. I vart och ett av de tre föreslagna arrangemangen, forskarna visar att genom att undertrycka absorptionsförluster, ljusenergi kan staplas upp i resonanshåligheter för att skapa extremt intensiva optiska fält.
"Metalliska strukturer kan producera en liknande nivå av förbättring via lokal plasmonexcitation, men bara över begränsade volymer sträckte sig några nanometer i diameter, ” berättade medförfattaren Javier García de Abajo från CSIC PhysOrg.com . "Däremot vårt arbete innebär en enorm förbättring över stora volymer, på så sätt utnyttjar den tillförda ljusenergin optimalt för utökade biosensorapplikationer och olinjär optik. I metalliska strukturer, absorption kan vara ett problem på grund av potentiella materiella skador och eftersom det minskar den tillgängliga optiska energin i förbättringsområdet. Denna typ av problem saknas i våra dielektriska strukturer.
"Man skulle kunna få en stor ljusintensitetsförbättring bara genom att helt enkelt ackumulera det från majkällor (t.ex. genom att placera ändarna av många optiska fibrer nära en gemensam punkt i rymden, eller genom att samla ljus som kommer från många storskaliga speglar). Men det här låter som att slösa mycket optisk energi bara för att få en förbättringseffekt i en liten del av rymden. Dock, detta är i huvudsak vad metalliska strukturer gör för att koncentrera ljus i så kallade optiska hot-spots med hjälp av plasmoner. I kontrast, våra strukturer koncentrerar inte ljuset i små utrymmen:de förstärker det över stora volymer, och detta har viktiga tillämpningar. Denna förstärkning görs genom användning av flyktiga och förstärkande optiska vågor, som inte transporterar energi, men kan ackumulera det."
Även om det teoretiskt sett inte finns någon övre gräns för den intensitetsökning som dessa strukturer kan uppnå, tillverkningsfel begränsar förbättringen till cirka 100, 000 gånger den av det infallande ljusets intensitet. I en proof-of-princip demonstration av det dielektriska vågledararrangemanget, forskarna visade en ljusintensitetsförbättring på en faktor 100. Forskarna förutspår att denna måttliga förbättring lätt borde förbättras genom att minska gränssnittets ojämnhet genom mer noggrann tillverkning, och arbetar för närvarande med experiment för att demonstrera en större ljusförbättring.
Som forskarna förklarar, en del av den "heliga gralen" med att designa nanoenheter för optiska applikationer är förmågan att kontrollera ljusförbättring, samt ljusinneslutning och subvåglängdsljusledning. Genom att demonstrera möjligheten att uppnå en extremt hög ljusintensitet i stora volymer, forskarna har öppnat nya möjligheter i många nanofotoniktillämpningar. Till exempel, nanofotonikkomponenter har redan använts för att producera konstgjord magnetism, negativ brytning, cloaking, och för biosensing.
"Vissa molekyler produceras i våra kroppar helst när vi lider av vissa sjukdomar (t.ex. tumörer, infektioner, etc.), ” sa García de Abajo. "Detekteringen av dessa molekyler kan ibland vara en svår uppgift, eftersom de sällan påträffas i små koncentrationer. Ett praktiskt sätt att detektera dessa molekyler, och därmed avslöja den potentiella sjukdom som de är förknippade med, är genom att belysa dem och se hur de sprider eller absorberar ljus (t.ex. hur ljus av olika färger absorberas av dessa molekyler eller hur de ändrar ljusets färg). Därför, det är viktigt att förstärka den optiska signalen som dessa molekyler producerar, så att vi kan få tillgång till dem även om de är i mycket låga koncentrationer. Våra strukturer gör just det:de förstärker ljuset över stora volymer, så att om molekylerna som ska detekteras placeras inuti dessa volymer, de kommer lättare att producera den noterade optiska signalen (absorption, färgförändring, etc.). Detta är alltså ett praktiskt sätt att upptäcka sjukdomar som cancer.
"I en annan riktning, ljusförstärkning är användbar för att producera ett icke-linjärt svar på det externa ljuset, och detta kan appliceras direkt på processinformation kodad som optiska signaler. Detta är ett ambitiöst mål som behövs för att tillverka optiska datorer. Sådana datorer är fortfarande långt ifrån tillgängliga, men de förväntas ge en enorm ökning av hastigheten för beräkning och kommunikation. Våra strukturer ger ett innovativt sätt att använda ljus i enheter för informationsbehandling.”
Copyright 2010 PhysOrg.com.
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivs eller omdistribueras helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från PhysOrg.com.
