Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà nghiên cứu đã phát triển một phương pháp mới và nhỏ gọn để định hình các xung ánh sáng cực nhanh.
Hãy tưởng tượng bạn có thể định hình một xung ánh sáng theo bất kỳ cách nào có thể tưởng tượng được nén nó, kéo dài nó, tách nó thành hai, thay đổi cường độ của nó hoặc thay đổi hướng của điện trường của nó.
Kiểm soát các thuộc tính của các xung ánh sáng cực nhanh là điều cần thiết để gửi thông tin qua các mạch quang tốc độ cao và trong việc thăm dò các nguyên tử và phân tử rung động hàng nghìn tỷ lần trong một giây. Nhưng phương pháp định hình xung tiêu chuẩn sử dụng các thiết bị được gọi là bộ điều biến ánh sáng không gian là tốn kém, cồng kềnh và thiếu các nhà khoa học kiểm soát tốt ngày càng cần. Ngoài ra, các thiết bị này thường dựa trên các tinh thể lỏng có thể bị phá hủy bởi các xung ánh sáng laser cường độ cao giống nhau mà chúng được thiết kế để tạo hình.
Bây giờ các nhà nghiên cứu tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) và NanoCenter của Đại học Maryland ở College Park đã phát triển một phương pháp điêu khắc mới lạ và nhỏ gọn. Đầu tiên, họ đặt một lớp silicon siêu mỏng trên kính, chỉ dày vài trăm nanomet (một phần tỷ mét), sau đó phủ một mảng hàng triệu ô vuông nhỏ bằng silicon bằng vật liệu bảo vệ. Bằng cách khắc silicon quanh mỗi ô vuông, nhóm nghiên cứu đã tạo ra hàng triệu cây cột nhỏ, đóng vai trò chính trong kỹ thuật điêu khắc ánh sáng.
Thiết bị phẳng, siêu mỏng là một ví dụ về metasurface, được sử dụng để thay đổi các thuộc tính của sóng ánh sáng truyền qua nó. Bằng cách thiết kế cẩn thận hình dạng, kích thước, mật độ và phân bố của các hạt nano, nhiều tính chất của mỗi xung ánh sáng giờ đây có thể được điều chỉnh đồng thời và độc lập với độ chính xác của kích thước nano. Các tính chất này bao gồm biên độ, pha và phân cực của sóng.
Một sóng ánh sáng, một tập hợp các từ trường và điện từ dao động được định hướng theo các góc vuông với nhau, có các đỉnh và đáy tương tự như sóng biển. Nếu bạn đang đứng trong đại dương, tần số của sóng là tần suất các đỉnh hoặc đáy di chuyển qua bạn, biên độ là chiều cao của sóng (máng đến cực đại) và pha là nơi bạn có liên quan đến các đỉnh và máng.
“Chúng tôi đã tìm ra cách điều khiển độc lập và đồng thời thao tác pha và biên độ của từng thành phần tần số của xung laser cực nhanh”, Amit Agrawal, của NIST và NanoCenter cho biết. “Để đạt được điều này, chúng tôi đã sử dụng các bộ ống nano silicon được thiết kế cẩn thận, một bộ cho mỗi màu cấu thành trong xung và một bộ phân cực tích hợp được chế tạo ở mặt sau của thiết bị.”
Khi một sóng ánh sáng truyền qua một bộ các hạt nano silicon, sóng chậm lại so với tốc độ của nó trong không khí và pha của nó bị trễ thời điểm sóng đạt đến đỉnh tiếp theo muộn hơn một chút so với thời gian sóng sẽ phát ra đã đạt đến đỉnh cao tiếp theo trong không khí. Kích thước của các nanopillar xác định lượng mà pha thay đổi, trong khi hướng của các nanopillar làm thay đổi sự phân cực của sóng ánh sáng. Khi một thiết bị được gọi là bộ phân cực được gắn vào mặt sau của silicon, sự thay đổi về độ phân cực có thể được dịch thành sự thay đổi biên độ tương ứng.
Việc thay đổi pha, biên độ hoặc phân cực của sóng ánh sáng theo cách được kiểm soát cao có thể được sử dụng để mã hóa thông tin. Những thay đổi nhanh chóng, tinh chỉnh cũng có thể được sử dụng để nghiên cứu và thay đổi kết quả của các quá trình hóa học hoặc sinh học. Ví dụ, sự thay đổi trong một xung ánh sáng tới có thể làm tăng hoặc giảm sản phẩm của phản ứng hóa học. Theo những cách này, phương pháp nanopillar hứa hẹn sẽ mở ra các vistas mới trong nghiên cứu về hiện tượng cực nhanh và giao tiếp tốc độ cao.
Agrawal, cùng với Henri Lezec của NIST và các cộng tác viên của họ, mô tả những phát hiện trực tuyến ngày hôm nay trên tạp chí Science .
Lezec nói: “Chúng tôi muốn mở rộng tác động của siêu mặt phẳng ngoài ứng dụng thông thường của chúng – thay đổi hình dạng của mặt sóng quang và sử dụng chúng để thay đổi cách thức xung ánh sáng thay đổi theo thời gian”.
Một xung ánh sáng laser cực nhanh điển hình chỉ tồn tại trong vài giây, hoặc một phần nghìn của một phần nghìn giây, quá ngắn để bất kỳ thiết bị nào định hình ánh sáng tại một thời điểm cụ thể. Thay vào đó, Agrawal, Lezec và các đồng nghiệp của họ đã nghĩ ra một chiến lược để định hình các thành phần tần số riêng lẻ hoặc màu sắc tạo nên xung bằng cách trước tiên tách ánh sáng thành các thành phần đó bằng một thiết bị quang học gọi là cách tử nhiễu xạ.
Mỗi màu có cường độ hoặc biên độ khác nhau tương tự như cách một nhạc chuông được tạo thành từ nhiều nốt riêng lẻ có âm lượng khác nhau. Khi được dẫn vào bề mặt silicon được khắc bằng nanopillar, các thành phần tần số khác nhau đã tấn công các bộ ống nano khác nhau. Mỗi bộ ống nano được thiết kế để thay đổi hướng pha, cường độ hoặc hướng điện trường (phân cực) của các thành phần theo một cách cụ thể. Một cách tử nhiễu xạ thứ hai sau đó kết hợp lại tất cả các thành phần để tạo ra xung mới được định hình.
Các nhà nghiên cứu đã thiết kế hệ thống nanopillar của họ để hoạt động với các xung ánh sáng cực nhanh (10 f / giây hoặc ít hơn, tương đương một phần trăm phần nghìn giây) bao gồm một loạt các thành phần tần số trải rộng bước sóng từ 700 nanomet (ánh sáng đỏ có thể nhìn thấy) nanomet (cận hồng ngoại). Bằng cách thay đổi đồng thời và độc lập biên độ và pha của các thành phần tần số này, các nhà khoa học đã chứng minh rằng phương pháp của họ có thể nén, tách và bóp méo các xung một cách có thể kiểm soát được.
Những cải tiến tiếp theo trong thiết bị sẽ giúp các nhà khoa học kiểm soát thêm sự phát triển của xung ánh sáng và có thể cho phép các nhà nghiên cứu định hình từng chi tiết tinh tế trong một lược tần, một công cụ chính xác để đo tần số ánh sáng được sử dụng trong các thiết bị như đồng hồ nguyên tử và để xác định các hành tinh xung quanh các ngôi sao xa xôi.
Nguồn tin tức:
Tài liệu được cung cấp bởi Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :