Valonsäde 400-kertaa leveämmäksi

Käyttämällä valoaaltoja sähkövirran sijaan datan siirtoon ja fotoniikkaan siruilla on perustutkimusta monilla aloilla ajanpidosta televiestintään.

Mutta monissa sovelluksissa kapeita valonsäteitä, jotka kulkevat näiden piirien läpi, on laajennettava huomattavasti, jotta ne voitaisiin liittää suurempien, sirun ulkopuolisten järjestelmien kanssa.

Laajemmat valonsäteet parantaisivat erityisesti lääketieteellisten kuvantamis- ja diagnoosimenetelmien nopeutta ja herkkyyttä, turvajärjestelmiä, jotka havaitsevat jälkiä myrkyllisistä tai haihtuvista kemikaaleista ja laitteita, joilla tehdään suurten atomiryhmien analysointia.

National Institute of Standards and Technologyn (NIST), Marylandin ja Texaisn yliopistojen tutkijat ovat nyt kehittäneet erittäin tehokkaan muuntimen, joka laajentaa valonsäteen halkaisijaa 400-kertaisesti.

Muunnin laajentaa säteen poikkileikkausta kahdessa peräkkäisessä vaiheessa. Koska käytetty aaltoputkikanava on niin kapea, osa liikkuvasta valosta ulottuu ulos aaltoputken reunojen yli. Hyödyntämällä tätä laajentamista, tutkijat sijoittivat suorakulmainen laatan, joka koostui samasta materiaalista kuin aaltoputki, tarkasti säädetyn etäisyyden päähän aaltoputkesta. Näin valo voi siirtyä raon yli ja asteittain vuotaa laattaan.

Laatta säilyttää valon kapeuden pystysuorassa ulottuvuudessa, mutta ei sivuttaissuuntaisessa ulottuvuudessa. Koska aaltoputken ja levyn välinen rako muuttuu asteittain, valo laatassa muodostaa tarkasti suunnatun säteen, joka on 400-kertaa laajempi kuin alkuperäisen säteen noin 300 nm halkaisija.

Laajennuksen toisessa vaiheessa, joka suurentaa valon pystysuuntaista ulottuvuutta, levyn läpi kulkeva säde kohtaa diffraktiohilan. Sen viivojen syvyydet ja etäisyydet on suunniteltu vaihtelevaksi, jotta valoaallot yhdistyvät ja muodostavat yhden sirun pinnasta suuntautuvan leveän säteen.

Kun säde saadaan pysymään riittävän suurena se voi kulkea pitkän matkan ja sillä pystytään esimerkiksi suurien atomien diffuusiyhdistelmien optisten ominaisuuksien tutkimiseen.

Koska rakenne toimii myös vastasuuntaan tutkijat ovat käyttäneet muunnintaan onnistuneesti analysoimaan noin 100 miljoonan kaasumaisen rubidiumatomin ominaisuuksia, kun ne hyppäsivät yhdestä energiatasosta toiseen.

Tämä on tärkeä konseptin todistus, koska valojen ja atomikaasujen välisiin vuorovaikutuksiin perustuvat laitteet voivat mitata määriä, kuten aikaa, pituutta ja magneettikenttiä ja lisäksi sillä on sovelluksia navigoinnissa, viestinnässä ja lääketieteessä.

"Atomit liikkuvat hyvin nopeasti, ja jos niitä lukeva säde on liian pieni, niitä on vaikea mitata. Laveilla lasersäteillä atomit pysyvät säteessä pitempään ja mahdollistavat atomin ominaisuuksien tarkemman mittaamisen", toteavat tutkijat.