Los investigadores de óptica han descubierto una nueva forma de medir distorsiones increíblemente pequeñas en las ondas de luz al estudiar indirectamente el comportamiento de curiosas 'cuasipartículas': ondas en el campo eléctrico que emergen cuando interactúan superficies livianas y sólidas. Esta nueva técnica es muy prometedora paraaplicaciones en metrología y detección química, así como mejoras potenciales en óptica adaptativa para microscopía y biomedicina.
A medida que la luz viaja a través de materiales turbulentos, el agua, la atmósfera e incluso el tejido humano, los frentes de onda se distorsionan, difuminan las imágenes y reducen la resolución. Es posible corregir estas distorsiones midiendo con precisión la forma del frente de onda.
Los astrónomos realizan rutinariamente tales mediciones para óptica adaptativa, pero solo para fluctuaciones de escala relativamente grande. En escalas mucho más finas, hasta la nanoescala, estas mediciones están más allá de las capacidades de la tecnología normal de sensores de frente de onda.
Los investigadores Brian Vohnsen y Denise Valente, University College Dublin, Irlanda, han encontrado una manera de superar estas limitaciones y medir las distorsiones de la luz en el frente de onda con una precisión nunca antes alcanzada.
Su innovadora tecnología de sensor se basa en un fenómeno curioso: una cuasipartícula que emerge cuando las ondas de luz se acoplan con las oscilaciones de los electrones de ciertas superficies sólidas. Al medir la eficiencia con la que la luz entrante crea estas cuasipartículas, los investigadores pueden obtener distorsiones previamente indetectablesen los frentes de onda
"Estoy entusiasmado con el nuevo sensor porque permite nuevas vías para la sensibilidad a nanoescala para una gran cantidad de aplicaciones", dijo Vohnsen. "Estas mediciones increíblemente finas permiten extraer información del frente de onda justo en el punto donde el aire, la luz,y las superficies interactúan "
Los resultados de esta investigación se publican hoy en la revista de The Optical Society óptica .
Las cuasipartículas revelan la forma de la luz
Actualmente, la medición de la forma de un frente de onda de luz se realiza con dispositivos conocidos como sensores de frente de onda. Funcionan de una de dos maneras. La primera es mediante el estudio de los patrones de interferencia de la luz, pero ese enfoque requiere un paso adicional para garantizarque las ondas de luz que interactúan están en fase, lo que significa que sus formas de onda se superponen con precisión.
El otro método es muestrear mecánicamente los frentes de onda: por ejemplo, con una matriz de microlentes.
Aunque es extremadamente eficiente para aplicaciones como la óptica adaptativa, que permite que los telescopios reduzcan el desenfoque aparente de la atmósfera de la Tierra, estos sistemas son relativamente voluminosos y son ciegos a las distorsiones en escalas muy finas.
Para alcanzar nuevos niveles de precisión, los investigadores consideraron utilizar el comportamiento de resonancia bien estudiado de las cuasipartículas conocidas como polaritones de plasmón superficial SPP, que responden incluso a distorsiones de frente de onda de escala extremadamente pequeña. Los SPP surgen cuando la luz se encuentra con una superficie conductora de electricidaden un ángulo específico. En el punto donde interactúan, los electrones oscilan, formando un pulso en forma de onda que viaja a través de la superficie. Del mismo modo que la luz puede describirse en algunos casos como una partícula y una onda, también pueden estos SPP, queEs por eso que los científicos se refieren a ellos como cuasipartículas.
"Dado que estos polaritones están perfectamente acoplados a la luz que los forma, cualquier cambio en su comportamiento indicaría un cambio en la forma de onda de la luz", dijo Vohnsen.
Medición de cambios de minutos
Los investigadores primero dirigen el frente de onda para que se mida en un sensor de película de oro. La fuerza con la que se forman los SPP depende del ángulo en que la luz se encuentra con el sensor. Cualquier cambio en ese ángulo, como ocurriría por una distorsión en el frente de onda,afectaría la forma en que se forman los SPP. Esto afecta directamente la cantidad de luz que se refleja desde la superficie.
Es este cambio en la intensidad reflejada lo que los investigadores miden. "Utilizamos la atenuación de la señal de la superficie dorada para convertir simplemente la forma del frente de onda, o pendiente, en una diferencia de intensidad en un haz de luz,"explicó Vohnsen. Este cambio se captura fácilmente con cámaras que son sensibles a cambios de intensidad muy pequeños.
Para reconstruir completamente el frente de onda, el sistema requiere dos mediciones separadas hechas a 90 grados entre sí. Entonces es posible usar cálculos matemáticos básicos para determinar los pequeños cambios en el frente de onda real basado en estos dos puntos de datos de intensidad ortogonal.Por lo tanto, la velocidad de la medición solo está limitada por la velocidad de las cámaras.
Este método es una mejora significativa sobre el uso de patrones de interferencia para la detección del frente de onda porque los cambios del frente de onda se capturan directamente, produciendo el potencial de aumentar en gran medida la velocidad con la que se pueden realizar mediciones. También muestrea el frente de onda continuamente en todo el haz, creandoun resultado de mayor resolución que el que se puede lograr con una matriz de microlentes.
Aunque los SPP están bien estudiados, aún no se han aprovechado para las tecnologías reales de ninguna manera amplia ". Actualmente se utilizan para mejorar ciertas señales débiles en la espectroscopía y para el desarrollo de componentes ópticos compactos conocidos como interconexiones ópticas / plasmónicas integradas,"observó Vohnsen." Nuestro método puede ser el primero en usar plasmones de superficie para abordar un problema óptico clásico, como la detección de aberraciones ".
Vohnsen y Valente especulan que este tipo de sensor puede encontrar aplicaciones en la inspección de calidad de materiales planos, películas y recubrimientos. Posiblemente podría reemplazar algunos de los otros sensores de frente de onda utilizados actualmente en astronomía, microscopía y ciencias de la visión.
Los investigadores están trabajando para superar dos limitaciones en la configuración actual. El primero es el requisito para la medición simultánea de los cambios de frente de onda con dos cámaras. El segundo es mejorar el método por el cual los SPP están "excitados" en la superficie del oropelícula.
"Estas mejoras adicionales ayudarán a llevar este estudio de frontera en óptica a una tecnología real que tenga aplicaciones significativas en el mundo real", concluye Vohnsen.
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Materiales proporcionado por La sociedad óptica . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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