El esquema muestra una técnica novedosa para remodelar las propiedades de un pulso de luz ultrarrápido. Un pulso de luz entrante (izquierda) se dispersa en sus diversas frecuencias constituyentes, o colores, y dirigido a una metasuperficie compuesta por millones de diminutos pilares de silicio y un polarizador integrado. Los nanopilares están diseñados específicamente para dar forma simultánea e independiente a propiedades de cada componente de frecuencia como su amplitud, fase o polarización. Luego, el haz transmitido se recombina para lograr un nuevo pulso de forma modificada (derecha). Crédito:S. Kelley / NIST
Imagina poder dar forma a un pulso de luz de cualquier manera imaginable, comprimiéndolo, estirándolo, dividiéndolo en dos, cambiando su intensidad o alterando la dirección de su campo eléctrico.
Controlar las propiedades de los pulsos de luz ultrarrápidos es esencial para enviar información a través de circuitos ópticos de alta velocidad y para sondear átomos y moléculas que vibran miles de billones de veces por segundo. Pero el método estándar de modelado de pulsos, utilizando dispositivos conocidos como moduladores de luz espacial, es costoso, voluminosos y carecen del control fino que los científicos necesitan cada vez más. Además, Por lo general, estos dispositivos se basan en cristales líquidos que pueden dañarse con los mismos pulsos de luz láser de alta intensidad para los que fueron diseñados.
Ahora, los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y el NanoCenter de la Universidad de Maryland en College Park han desarrollado un método novedoso y compacto para esculpir la luz. Primero depositaron una capa de silicio ultrafino sobre vidrio, solo unos pocos cientos de nanómetros (mil millonésimas de metro) de espesor, y luego cubrió una serie de millones de pequeños cuadrados de silicio con un material protector. Al grabar el silicio que rodea cada cuadrado, el equipo creó millones de pilares diminutos, que jugó un papel clave en la técnica de escultura con luz.
El apartamento, dispositivo ultradelgado es un ejemplo de una metasuperficie, que se utiliza para cambiar las propiedades de una onda de luz que lo atraviesa. Al diseñar cuidadosamente la forma, Talla, densidad y distribución de los nanopilares, Ahora se pueden adaptar múltiples propiedades de cada pulso de luz de forma simultánea e independiente con precisión a nanoescala. Estas propiedades incluyen la amplitud, fase y polarización de la onda.
Una onda de luz un conjunto de campos eléctricos y magnéticos oscilantes orientados en ángulo recto entre sí, tiene picos y valles similares a una ola del océano. Si estás parado en el océano la frecuencia de la onda es la frecuencia con la que los picos o valles pasan a tu lado, la amplitud es la altura de las olas (de valle a pico), y la fase es donde estás en relación con los picos y valles.
"Descubrimos cómo manipular de forma independiente y simultánea la fase y la amplitud de cada componente de frecuencia de un pulso láser ultrarrápido, "dijo Amit Agrawal, de NIST y el NanoCenter. "Lograr esto, utilizamos conjuntos de nanopilares de silicio cuidadosamente diseñados, uno por cada color constituyente del pulso, y un polarizador integrado fabricado en la parte posterior del dispositivo ".
Cuando una onda de luz viaja a través de un conjunto de nanopilares de silicio, la onda se ralentiza en comparación con su velocidad en el aire y su fase se retrasa:el momento en que la onda alcanza su siguiente pico es un poco más tarde que el momento en el que la onda habría alcanzado su siguiente pico en el aire. El tamaño de los nanopilares determina la cantidad en que cambia la fase, mientras que la orientación de los nanopilares cambia la polarización de la onda de luz. Cuando un dispositivo conocido como polarizador se adjunta a la parte posterior del silicio, el cambio de polarización puede traducirse en un correspondiente cambio de amplitud.
Un esquema más detallado de la configuración de modelado de pulsos. Un pulso de luz entrante (izquierda) se difracta en una rejilla, que dispersa el pulso en sus diversas frecuencias, o colores. Luego, un espejo parabólico redirige la luz dispersa hacia una superficie de silicio grabada con millones de pilares diminutos. Los nanopilares están diseñados específicamente para dar forma simultánea e independiente a propiedades de cada componente de frecuencia como su amplitud, fase o polarización. Luego, un segundo espejo parabólico y una rejilla de difracción recombinan los componentes separados en un pulso recién formado (derecha). Crédito:T. Xu / Universidad de Nanjing
Alterando la fase, Se puede usar la amplitud o polarización de una onda de luz de una manera altamente controlada para codificar información. El rápido, Los cambios finamente ajustados también se pueden utilizar para estudiar y cambiar el resultado de procesos químicos o biológicos. Por ejemplo, las alteraciones en un pulso de luz entrante podrían aumentar o disminuir el producto de una reacción química. De esta manera el método nanopilar promete abrir nuevas perspectivas en el estudio del fenómeno ultrarrápido y la comunicación de alta velocidad.
Agrawal, junto con Henri Lezec de NIST y sus colaboradores, describir los hallazgos en línea hoy en la revista Ciencias .
"Queríamos extender el impacto de las metasuperficies más allá de su aplicación típica (cambiar la forma de un frente de onda óptico espacialmente) y usarlas en su lugar para cambiar la forma en que el pulso de luz varía en el tiempo, "dijo Lezec.
Un pulso de luz láser ultrarrápido típico dura solo unos pocos femtosegundos, o una milésima de billonésima de segundo, demasiado corto para que cualquier dispositivo dé forma a la luz en un instante en particular. En lugar de, Agrawal, Lezec y sus colegas idearon una estrategia para dar forma a los componentes o colores de frecuencia individuales que componen el pulso al separar primero la luz en esos componentes con un dispositivo óptico llamado rejilla de difracción.
Cada color tiene una intensidad o amplitud diferente, similar a la forma en que un sobretono musical se compone de muchas notas individuales que tienen diferentes volúmenes. Cuando se dirige a la superficie de silicio grabada con nanopilares, diferentes componentes de frecuencia golpearon diferentes conjuntos de nanopilares. Cada conjunto de nanopilares se diseñó para alterar la fase, intensidad u orientación del campo eléctrico (polarización) de los componentes de una manera particular. Una segunda rejilla de difracción luego recombinó todos los componentes para crear el pulso de nueva forma.
Los investigadores diseñaron su sistema de nanopilares para trabajar con pulsos de luz ultrarrápidos (10 femtosegundos o menos, equivalente a una centésima de billonésima de segundo) compuesto por una amplia gama de componentes de frecuencia que abarcan longitudes de onda desde 700 nanómetros (luz roja visible) hasta 900 nanómetros (infrarrojo cercano). Al alterar simultánea e independientemente la amplitud y fase de estos componentes de frecuencia, los científicos demostraron que su método podía comprimir, dividir y distorsionar pulsos de una manera controlable.
Las mejoras adicionales en el dispositivo darán a los científicos un control adicional sobre la evolución temporal de los pulsos de luz y pueden permitir a los investigadores dar forma con exquisito detalle a líneas individuales en un peine de frecuencia. una herramienta precisa para medir las frecuencias de la luz utilizada en dispositivos tales como relojes atómicos y para identificar planetas alrededor de estrellas distantes.
