Когда свет проходит через турбулентные материалы — воду, атмосферу и даже ткани человека — фронты волн искажаются, размывая изображения и снижая разрешение. Эти искажения можно исправить, точно измерив форму волнового фронта.Астрономы обычно проводят такие измерения для адаптивной оптики, но только для относительно крупномасштабных флуктуаций. В гораздо более мелких масштабах — вплоть до наномасштаба — эти измерения выходят за рамки возможностей обычных датчиков волнового фронта.
Исследователи Брайан Вонсен и Дениз Валенте из Университетского колледжа Дублина, Ирландия, нашли способ преодолеть эти ограничения и измерить искажения волнового фронта света с недостижимой ранее точностью.Их революционная сенсорная технология основана на любопытном явлении: квазичастица, которая появляется, когда световые волны соединяются с колебаниями электронов на определенных твердых поверхностях.
Измеряя, насколько эффективно падающий свет создает эти квазичастицы, исследователи могут получить ранее не обнаруживаемые искажения на фронтах волн.«Я в восторге от нового датчика, потому что он открывает новые возможности для наноразмерной чувствительности для целого ряда приложений», — сказал Вонсен. «Эти удивительно точные измерения позволяют извлекать информацию о волновом фронте прямо в той точке, где взаимодействуют воздух, свет и поверхности».Результаты этого исследования опубликованы сегодня в журнале Оптического общества Optica.
Квазичастицы раскрывают форму светаВ настоящее время измерение формы волнового фронта света выполняется с помощью устройств, известных как датчики волнового фронта. Они работают одним из двух способов. Первый заключается в изучении интерференционных картин света, но этот подход требует дополнительного шага, чтобы убедиться, что взаимодействующие световые волны находятся в фазе, то есть их формы волн точно перекрываются.
Другой метод — это механический замер волновых фронтов: например, с помощью массива микролинз.Хотя эти системы чрезвычайно эффективны для таких приложений, как адаптивная оптика, которые позволяют телескопам уменьшить видимое размытие атмосферы Земли, они относительно громоздки и не видят искажений в очень мелких масштабах.Чтобы достичь новых уровней точности, исследователи рассматривали возможность использования хорошо изученного резонансного поведения квазичастиц, известных как поверхностные плазмонные поляритоны (ПП), которые реагируют даже на чрезвычайно мелкомасштабные искажения волнового фронта.
СПП возникают, когда свет встречается с электропроводящей поверхностью под определенным углом. В точке взаимодействия электроны колеблются, образуя волнообразный импульс, который распространяется по поверхности.
Подобно тому, как свет в некоторых случаях можно описать как частицу и волну, эти SPP тоже могут быть описаны, поэтому ученые называют их квазичастицами.«Поскольку эти поляритоны идеально связаны со светом, который их формирует, любые изменения в их поведении будут указывать на изменение формы волны света», — сказал Вонсен.Измерение минутных изменений
Сначала исследователи направляют волновой фронт для измерения на датчик с золотой пленкой. Сила, с которой формируются SPP, зависит от угла, под которым свет встречает датчик. Любые изменения этого угла, которые могут произойти из-за искажения волнового фронта, повлияют на способ формирования SPP.
Это напрямую влияет на то, сколько света отражается от поверхности.Именно это изменение отраженной интенсивности измеряют исследователи. «Мы используем ослабление сигнала от поверхности золота, чтобы просто преобразовать форму волнового фронта — или наклон — в разницу интенсивности в луче света», — пояснил Вонсен.
Это изменение легко фиксируется камерами, чувствительными к очень мельчайшим изменениям интенсивности.Чтобы полностью восстановить волновой фронт, системе требуются два отдельных измерения, выполненных под углом 90 градусов друг к другу. Затем можно использовать основные математические вычисления для определения крошечных изменений фактического волнового фронта на основе этих двух ортогональных точек данных интенсивности. Таким образом, скорость измерения ограничивается только скоростью камер.
Этот метод является значительным улучшением по сравнению с использованием интерференционных картин для измерения волнового фронта, поскольку изменения волнового фронта фиксируются напрямую, что дает возможность значительно увеличить скорость выполнения измерений. Он также непрерывно производит выборку волнового фронта по всему лучу, создавая результат с более высоким разрешением, чем может быть достигнуто с помощью массива микролинз.
Хотя SPP хорошо изучены, их еще предстоит использовать в реальных технологиях в широком смысле. «В настоящее время они используются для усиления некоторых слабых сигналов в спектроскопии и для разработки компактных оптических компонентов, известных как интегрированные оптические / плазмонные межсоединения», — заметил Вонсен. «Наш метод может быть первым, который использует поверхностные плазмоны для решения классической оптической проблемы, такой как обнаружение аберраций».Фонсен и Валенте предполагают, что этот тип датчика может найти применение при контроле качества плоских материалов, пленок и покрытий. Возможно, он заменит некоторые другие датчики волнового фронта, которые в настоящее время используются в астрономии, микроскопии и зрении.Исследователи работают над преодолением двух ограничений в текущей настройке.
Во-первых, это требование одновременного измерения изменений волнового фронта двумя камерами. Второй — это усовершенствование метода "возбуждения" плазмонных волн на поверхности золотой пленки.
«Эти дополнительные усовершенствования помогут превратить это передовое исследование в оптике в реальную технологию, которая имеет важные практические применения», — заключает Вонсен.