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新型水基光学器件彻底改变了光学研究领域

2019-11-21 14:09:45

光线本质上是多用途的。换句话说,当穿过不同类型的材料时,它显示出不同的特性。已经通过各种技术探索了这种特性,但是需要控制光与材料交互的方式以获得所需的效果。这可以使用称为光调制器的特殊设备完成,该设备具有修改光属性的能力。

当电场施加到光传播的介质上时,就会看到一种称为普克尔斯效应的特性。通常,光线在碰到任何介质时都会发生弯曲,但是在普克尔效应下,介质的折射率(光弯曲程度的度量)与施加的电场成比例地变化。这种效应可用于光学工程,光学通信,显示器和电传感器。但是,这种影响在不同材料中究竟是如何发生的尚不清楚,因此难以充分挖掘其潜力。

在OSA Continuum上发表的一项突破性研究中,由东京科学大学的Eiji Tokunaga教授领导的一组科学家阐明了新型光调制器中的Pockels效应的机理。直到最近,仅在一种特殊类型的晶体中观察到了这种效果,这种晶体价格昂贵,因此难以使用。十二年前,德永教授及其团队在与电极接触的水的顶层(也称为界面层)中首次观察到了这种效应。在大部分水中没有观察到这种效果。

尽管Pockels系数(Pockels效应的量度)要大一个数量级,但仍需要一个高度灵敏的检测器,因为该效应仅在薄的界面层中产生。另外,甚至它的机理也没有被清楚地理解,这进一步使过程复杂化。德永教授和他的团队想找到一个解决方案,经过多次试验,他们终于成功了。在谈论他的研究动机时,德永教授说:“很难以水为介质来测量电光信号,因为它仅在薄层中发生。因此,我们想找到一种从电信号中提取大信号的方法。不需要高灵敏度测量且使用起来更容易的介质。”

为此,科学家创建了一个在水中的玻璃表面上带有透明电极的装置,并对其施加了电场。界面层(也称为双电层或EDL)只有几纳米厚,并且呈现出与其余水不同的电化学特性。它也是水的唯一部分,在电场作用下可以观察到普克尔斯效应。科学家使用全反射的概念在水和电极之间的界面处创建了一个大角度。他们观察到,当光穿过电极并进入EDL时,两层折射率的变化都会改变反射信号。

由于透明电极的折射率大于水和玻璃的折射率(分别为1.33和1.52),因此两端反射的光量增加,从而增强了普克尔斯效应。这很重要,因为较大的增强信号将意味着甚至可以使用低灵敏度的设备进行测量。而且,由于实验装置并不复杂,仅由浸入含电解质的水中的透明电极组成,因此该方法使用起来更加简单。更不用说,水是一种廉价的介质,从而总体上降低了成本。Tokunaga教授详细阐述了这些发现,“通过我们的技术,我们观察到光调制的最大强度变化与施加的交流电压成比例为50%。”

受这些观察结果的鼓励,德永教授及其团队希望使用数学计算来验证这些结果。他们惊讶地发现理论计算与实验结果相符。此外,他们观察到理论上可以实现100%的光强度调制,这令人兴奋,因为它证实了他们的发现。德永教授说:“结果令人惊讶,但更令人惊讶的是,我们的理论分析表明,现有的光学知识可以完美地解释它们。这项研究的结果不仅适用于独特的光调制元件和使用水,但是发现的增强原理打开了使用普遍存在的任何接口的可能性。”

这种调制光的新方法可以更好地替代现有方法,特别是由于具有低成本和易于检测的优点。德永教授及其团队相信,通过发现光调制的新机制,他们的研究将为该领域的更高级研究打开大门。德永教授说:“我们独特的光调制技术是史无前例的,具有许多可能的应用,因为它展示了一种从通用接口中提取大型Pockels信号的通用方法。此外,我们希望我们的研究将催生一个新的领域光学研究领域,从而彻底改变了这一领域。”

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