Al usar ondas de luz en lugar de corriente eléctrica para transmitir datos, Los chips fotónicos, circuitos de luz, han avanzado en la investigación fundamental en muchas áreas, desde el cronometraje hasta las telecomunicaciones. Pero para muchas aplicaciones, los haces de luz estrechos que atraviesan estos circuitos deben ensancharse sustancialmente para conectar con más grandes, sistemas fuera de chip. Los haces de luz más amplios podrían aumentar la velocidad y la sensibilidad de los procedimientos de diagnóstico e imágenes médicas, sistemas de seguridad que detectan trazas de productos químicos tóxicos o volátiles y dispositivos que dependen del análisis de grandes agrupaciones de átomos.

Los científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han desarrollado un convertidor de alta eficiencia que aumenta el diámetro de un haz de luz 400 veces. Vladimir Aksyuk, físico del NIST, y sus colegas, incluidos investigadores del NanoCenter de la Universidad de Maryland en College Park, Maryland, y la Universidad Tecnológica de Texas en Lubbock, describió su trabajo en la revista Luz:ciencia y aplicaciones .

El convertidor ensancha la sección transversal, o área de la viga, en dos etapas consecutivas. Inicialmente, la luz viaja a lo largo de una guía de ondas óptica, una delgada, canal transparente cuyas propiedades ópticas limitan el diámetro del haz a unos cientos de nanómetros, menos de una milésima parte del diámetro medio de un cabello humano. Debido a que el canal de la guía de ondas es tan estrecho, parte de la luz que viaja se extiende hacia afuera más allá de los bordes de la guía de ondas. Aprovechando esta ampliación, el equipo colocó una losa rectangular compuesta del mismo material que la guía de ondas, una pequeña distancia medida con precisión desde la guía de ondas. La luz puede saltar a través del pequeño espacio entre los dos componentes y filtrarse gradualmente hacia la losa.

La losa mantiene el ancho estrecho de la luz en la dimensión vertical (de arriba a abajo), pero no proporciona tales limitaciones para el lateral, o de lado, dimensión. A medida que el espacio entre la guía de ondas y la losa cambia gradualmente, la luz en la losa forma un haz dirigido con precisión 400 veces más ancho que el diámetro de aproximadamente 300 nm del haz original.

En la segunda etapa de la expansión, que amplía la dimensión vertical de la luz, el haz que atraviesa la losa encuentra una rejilla de difracción. Este dispositivo óptico tiene reglas o líneas periódicas, cada uno de los cuales dispersa la luz. El equipo diseñó la profundidad y el espaciamiento de las reglas para variar de modo que las ondas de luz se combinen, formando un solo haz ancho dirigido casi en ángulo recto a la superficie del chip.

En tono rimbombante, la luz queda colimada, o precisamente paralelo, a lo largo del proceso de expansión de dos etapas, para que permanezca en el objetivo y no se extienda. El área del haz colimado es ahora lo suficientemente grande como para viajar la gran distancia necesaria para sondear las propiedades ópticas de grandes agrupaciones difusas de átomos.

Trabajando con un equipo dirigido por John Kitching de NIST en Boulder, Colorado, los investigadores ya han utilizado el convertidor de dos etapas para analizar con éxito las propiedades de unos 100 millones de átomos de rubidio gaseosos mientras saltaban de un nivel de energía a otro. Esa es una prueba de concepto importante porque los dispositivos basados ​​en interacciones entre la luz y los gases atómicos pueden medir cantidades como el tiempo, longitud y campos magnéticos y tienen aplicaciones en navegación, comunicaciones y medicina.

"Los átomos se mueven muy rápido, y si el rayo que los supervisa es demasiado pequeño, se mueven dentro y fuera del rayo tan rápido que resulta difícil medirlos, "dijo Kitching." Con grandes rayos láser, los átomos permanecen en el haz por más tiempo y permiten una medición más precisa de las propiedades atómicas, ", agregó. Tales mediciones podrían conducir a mejores estándares de longitud de onda y tiempo.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de NIST. Lea la historia original aquí.