Ultrasnelle lichtpulsen in hun beweging betrapt
Waar bevindt zich de lichtpuls in een lichtkanaal precies, en wanneer komt hij langsflitsen? Met een nieuwe 'tijdsopgeloste fotontunneling' microscoop is het voor het eerst mogelijk met een oplossend vermogen van femtoseconden (10-15 seconde) en nanometers te kijken in een optische structuur. Was dit tot voor kort 'hoger giswerk', de pulsen zijn nu ook daadwerkelijk te betrappen. De promovendi Marcello Balistreri en Henkjan Gersen hebben de nieuwe microscoop ontwikkeld. Hun onderzoek, gefinancierd door FOM, hebben zij verricht aan het MESA+ onderzoekinstituut van de Universiteit Twente. Op 2 november zijn de resultaten gepubliceerd in het Amerikaanse weekblad Science.
De nieuwe meetmethode geeft direct inzicht in het gedrag van lichtpulsen in een optische structuur. Dat kan een lichtgeleidend kanaal zijn op een chip, of bijvoorbeeld een optische schakeling waarin licht wordt gesplitst in verschillende kleuren, voor toepassing in de telecommunicatie. Tot nu toe werd inzicht verkregen door het licht dat een structuur ingaat te vergelijken met het licht dat er uitkomt. Aan de hand van een theoretisch model is dan terug te rekenen wat er onderweg gebeurd 'moet zijn'. Maar voor het onderzoek naar nieuwe optische materialen is deze blackbox-benadering te onnauwkeurig en is het vaak niet eens mogelijk een adequaat model op te stellen. Een fysicus wil echt ín de structuur kunnen kijken om uit te vinden wat er precies onderweg gebeurt.
Scherpe fiber
Om dit bij hoge snelheid te kunnen doen, gebruiken de onderzoekers een 'fotontunneling microscoop'. Die bestaat uit een glasfiber die aan het uiteinde heel scherp is gemaakt en die het 'evanescente veld' oppikt, het elektromagnetisch veld dat ook buiten een kanaal is te meten. Dit gemeten veld wordt omgezet naar normaal licht. De tip, die scherper is dan de golflengte van het licht, kan over de structuur worden bewogen, om met nanometerprecisie te kunnen kijken. Eerder bleek al uit onderzoek van Marcello Balistreri dat het mogelijk is de fase op deze manier te meten. Het golfgedrag van licht kan dan worden onderzocht. De metingen leverden nieuwe inzichten op over de verschillende modi waarin licht kan voortbewegen. Het effect van bijvoorbeeld een - eventueel bewust aangebracht- defect in een fotonisch kristal is ook meteen te zien.
Door nu de dimensie tijd toe te voegen wordt het plaatje compleet. Zowel de fasesnelheid als de groepssnelheid zijn dan te meten, belangrijke gegevens om vast te stellen wat er met het licht gebeurt in een materiaal. Om een referentie te hebben die tijdsmeting mogelijk maakt, wordt het gemeten signaal gemengd met licht dat door een vertraging wordt geleid, een omweg waarvan de afmetingen de tijdsvertraging vastleggen.
Nano-optica
De nieuwe microscoop is essentieel in het onderzoek naar nieuwe optische materialen. Deze jonge tak van onderzoek richt zich bijvoorbeeld op het manipuleren van materialen, zodat licht er gewenst gedrag gaat vertonen. Het licht kan bijvoorbeeld een haakse of iedere andere gewenste bocht maken, of het materiaal laat de ene kleur wel door en de andere niet. Voor miniaturisatie in de optische telecommunicatie wordt van deze materialen veel verwacht. Het onderzoek naar deze optische nanotechnologie is aan de Universiteit Twente ondergebracht in het onderzoekinstituut MESA+, in de research-oriëntatie Advanced Photonic Structures.
Meer informatie bij prof.dr. Niek van Hulst, Applied Optics, telefoon (053) 489 38 05 en dr. Kobus Kuipers, MESA+ Advanced Photonic Structures, telefoon (053) 489 45 04.