Akla gelebilecek herhangi bir şekilde, bir ışık atımı şekillendirebileceğinizi düşünün… (Sıkıştırarak, gererek, ikiye bölerek, yoğunluğunu değiştirerek veya elektrik alanının yönünü değiştirerek…)
Ultra hızlı ışık darbelerinin özelliklerini kontrol etmek; yüksek hızlı optik devreler üzerinden ve saniyede binlerce trilyon kez titreşen sonda atomları ve moleküllerinde bilgi göndermek için önemlidir. Ancak mekansal ışık modülatörleri olarak bilinen cihazları kullanılan standart yöntmler; pahalı, hacimlidir ve giderek artan gereksinim duyulan hassas kontrollerden yoksundur. Ek olarak, bu cihazlar tipik olarak; biçimlendirmek üzere tasarlandıkları aynı yüksek yoğunluklu lazer ışığı darbeleriyle zarar görebilecek sıvı kristallerine dayanmaktadır.
Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü’ndeki (NIST) ve Maryland Üniversitesi College Park NanoCenter’daki araştırmacıları; yeni ve kompakt bir ışıklandırma yöntemi geliştirdiler. Önce, sadece birkaç yüz nanometre (metrenin milyarda biri) kalınlığında; cam üzerine ultra ince bir silikon tabakası bıraktılar. Daha sonra koruyucu bir malzemeyle milyonlarca küçük silikon karesini kapladılar. Her kareyi sarıp, silikonu aşındıran ekip; hafif heykel tekniğinde milyonlarca küçük sütun yarattı.
Düz, ultra ince cihaz; içinden geçen bir ışık dalgasının özelliklerini değiştirmek için kullanılan metas yüzeyine bir örnektir. Nanopillerlerin şeklini, ebadını, yoğunluğunu ve dağılımını dikkatlice tasarlayarak; her bir ışık darbesinin çoklu özellikleri, aynı anda ve bağımsız olarak nano ölçekli hassasiyetle uyarlanabilir. Bu özellikler dalganın genliği, fazı ve polarizasyonunu içerir.
Birbirine dik açılarla yönlendirilmiş salınımlı elektrik ve manyetik alanlar kümesi olan ışık dalgası; bir okyanus dalgasına benzer tepe ve çukurlara sahiptir. Eğer bir kişi okyanusta duruyorsa, dalganın frekansı; zirvelerin veya çukurların oradaa ne sıklıkta olduğuyla alakalıdır. Buradaki genlik dalgaların yüksekliği ve faz zirveleri görünen yer ve oluklar.
NIST ve NanoCenter’dan Amit Agrawal: “Ultra hızlı bir lazer darbesinin, her bir frekans bileşeninin fazını ve genliğini bağımsız ve aynı anda nasıl yöneteceğimizi bulduk. Bunu başarmak için, her kurucu renk için bir tane ve nihayetinde cihazın arkasına yerleştirilmiş entegre bir polarizör olan dikkatlice tasarlanmış silikon nanopiller kümelerini kullandık.”
Hafif bir dalga; bir dizi silikon nanopillerin içinden geçtiğinde, havadaki hızıyla karşılaştırıldığında dalga yavaşlar ve fazı geciktirilir. Nanopillerin büyüklüğü, fazın ne kadar değiştiğini belirler ve böylece nanopillerlerin oryantasyonu ışık dalgasının polarizasyonunu değiştirir. Polarizör olarak bilinen bir cihaz; silikonun arkasına takıldığında, polarizasyondaki değişiklik, genlikte karşılık gelen bir değişikliğe çevrilebilir.
Aşamayı değiştirerek; bilgiyi kodlamak için bir ışık dalgasının genliği veya polarizasyonu çok kontrollü bir şekilde kullanılabilir. Hızlı, ince ayarlı değişiklikler; kimyasal veya biyolojik işlemlerin sonuçlarını incelemek ve değiştirmek için de kullanılabilir. Örneğin; gelen bir ışık atımındaki değişiklikler, kimyasal bir reaksiyonun ürününü artırabilir veya azaltabilir. Bu yollarla, nanopiller yöntemi; ultra hızlı fenomen ve yüksek hızlı iletişim çalışmalarında yeni bakış açıları açmayı vaat ediyor.
Lezec: “Metas yüzeylerin etkisini tipik uygulamalarının ötesine (optik bir dalga cephesinin şeklini mekansal olarak değiştirerek) genişletmek istedik ve bunun yerine ışık darbesinin zamanla nasıl değiştiğini göstermek için kullandık.”
Tipik bir ultrafast lazer ışık atımı; herhangi bir cihazın ışığı belirli bir anda şekillendirmesi için çok kısa, sadece birkaç femtosaniye veya saniyenin trilyonunun binde biri kadar sürer. Bunun yerine, Agrawal, Lezec ve meslektaşları; ışığı ilk önce Kırınım Izgarası denilen optik bir cihazla, bu bileşenlere ayırarak nabzı oluşturan bireysel frekans bileşenlerini veya renkleri şekillendirme stratejisi geliştirdiler.
Her rengin farklı bir yoğunluğu veya genliği vardır. Bu tıpkı müzikal bir tonun farklı hacimlere sahip birçok bireysel notadan oluşmasına benzer. Nanopiller kazınmış silikon yüzeyine yönlendirildiğinde; farklı frekans bileşenleri farklı nanopil kümelerine çarptı. Her bir nanopil grubu, bileşenlerin fazını, yoğunluğunu veya elektrik alan oryantasyonunu (polarizasyon) belirli bir şekilde değiştirmek için uyarlandı. İkinci bir Kırınım Izgarası daha sonra yeni şekillendirilmiş atımı oluşturmak için tüm bileşenleri yeniden birleştirdi.
Araştırmacılar; nanopil sistemlerini 700 nanometre (görünür kırmızı ışık) ile 900 arasında değişen dalga boylarına yayılan, geniş bir frekans bileşeninden oluşan ultra hızlı ışık darbeleriyle (10 femtosaniye veya daha az, saniyenin üçte birine eşdeğer bir saniyeye eşdeğer) çalışmak üzere tasarladılar. Bilim insanları bu frekans bileşenlerinin genliğini ve fazını aynı anda ve bağımsız olarak değiştirerek; yöntemlerinin darbeleri kontrol edilebilir bir şekilde sıkıştırabileceğini, bölebileceğini ve deforme edebileceğini gösterdi.
Cihazdaki diğer iyileştirmeler, bilim insanlarına; ışık darbelerinin zaman içindeki evrimi üzerinde ek kontrol sağlayacak ve araştırmacıların, atom saatleri gibi cihazlarda kullanılan ışığın frekanslarını ölçmek ve uzak yıldızların etrafındaki gezegenleri tanımlamak için hassas bir araç olan bir “frekans tarağı”ndaki ayrı ayrı satırları şekillendirmelerini sağlayabilir.
