2022-04-22 14:13

意想不到的光行为可能被用来改进光通信和传感器

‘Exceptional’ Research: Unexpected light Behavior May Be Harnessed to Improve Optical Communications and Sensors

把手电筒照进昏暗的池塘水里,光线穿透不了多远。吸收和散射使光束的强度迅速降低,每移动一段距离就损失一定比例的能量。这种衰减被称为指数衰减,适用于光穿过任何容易吸收和散射电磁能量的液体或固体时。

但这不是美国国家标准与技术研究所(NIST)的研究人员在研究微型光散射系统时发现的——在芯片上制造超薄氮化硅层,并蚀刻一系列紧密间隔的周期性凹槽。沟槽形成了一个光栅——一种以不同角度散射不同颜色的光的装置——而氮化硅则起到限制和引导入射光尽可能沿着0.2厘米长的光栅的作用。

光栅散射光——大部分光向上散射,垂直于设备——就像池塘里的水一样。在他们的大多数实验中,NIST的科学家观察到了这一点。光的强度以指数方式变暗,只能照亮光栅的前几个凹槽。

然而,当NIST团队调整凹槽的宽度,使它们几乎等于凹槽之间的间距时,科学家们发现了一些令人惊讶的事情。如果他们仔细选择了特定波长的红外光,光的强度随着光栅的移动而下降得慢得多。强度随移动距离的增加呈线性下降,而不是呈指数下降。

科学家们同样对从光栅中向上散射的红外光的特性感兴趣。当沿光栅的光强由指数衰减转变为线性衰减时,向上散射的光形成一束光强相等的宽光束。对于许多涉及原子云的实验来说,均匀强度的宽光束是非常理想的工具。

电子和计算机工程师Sangsik Kim从未见过这样的东西。2017年春天,当他第一次在NIST进行的模拟中观察到这种奇怪的行为时,他和NIST资深科学家弗拉基米尔·阿克苏克担心他犯了一个错误。但两周后,金在使用实际衍射光栅的实验室实验中看到了同样的效果。






动画描述了NIST改变光吸收方式的实验。来源:美国凯利/ NIST

如果波长发生轻微的变化,或者凹槽之间的间距发生广州有偿捐卵微小的变化,系统就会恢复到指数衰减。

NIST的团队花了几年时间才发展出一个可以解释这一奇怪现象的理论。研究人员发现,它的根源在于光栅结构之间复杂的相互作用,光向前移动,光通过光栅中的沟槽向后散射,光向上散射。在某些关键时刻,也就是所谓的异常点,所有这些因素共同作用,极大地改变了光能的损失,将其从指数衰减变为线性衰减。

研究人员惊讶地发现,他们观察到的红外光现象是任何通过有损周期结构的波的普遍性质,无论是声波、红外光还是无线电电波。

这一发现可能使研究人员能够在不损失能量的情况下将光束从一个基于芯片的设备传输到另一个设备,这可能是光通信的一个福音。由特殊点雕刻出来的宽而均匀的光束也是研究原子云的理想材料。光诱导原子从一个能级跃迁到另一个能级;它的宽度和均匀的强度使光束能够在较长的时间内审问快速移动的原子。精确测量原子跃迁时发出的光的频率,是建立高精度原子钟和基于捕获的原子蒸汽创建精确导航系统的关键一步。

Aksyuk说,更普遍地说,均匀的光束使便携式、基于芯片的光子器件与大规模光学实验相结合成为可能,降低了它们的尺寸和复杂性。例如,一旦均匀的光束探测到原子蒸汽,信息就可以发送回光子芯片并在那里进行处理。

另一个潜在的应用是环境监测。由于从指数吸收到线性吸收的转变是突然的,而且对所选的光波长非常敏感,它可以成为痕量污染物的高精度检测器的基础。Aksyuk说,如果表面的污染物改变了光栅中光的波长,这个异常点就会突然消失,光强度也会迅速从线性衰减转变为指数衰减。

包括Aksyuk和Kim在内的这组科学家在4月21日出版的《自然-纳米技术》网络版上报告了他们的发现。