Forschungsteam erzielt Durchbrüche bei der Präzisionsmessung durch „Verschlüsseln“ von Laserlicht

In den meisten Fällen hindern uns ungeordnete Arbeitsbedingungen daran, genaue Arbeit zu leisten. Aber in einer Umkehrung dieser verbreiteten Meinung hat ein Team von Forschern der University of Adelaide und der University of St. Andrews, Schottland, kürzlich Durchbrüche bei der Präzisionsmessung durch „Scrambling“-Laserlicht erzielt.

Das Team wurde von Professor Kishan Dholakia geleitet, der gemeinsam an der School of Biological Sciences der University of Adelaide und der School of Physics and Astronomy der University of St. Andrews arbeitet.

„Wir haben die Welleneigenschaften von Licht genutzt, um durch Interferenz körnige Muster zu erzeugen, die als „Speckle“ bezeichnet werden und eine empfindliche Sonde sowohl für das Licht als auch für die Umgebung bieten“, sagte er.

„Der Ansatz wird die optische und Quantensensorik voranbringen, die Leistung von Sensoren der nächsten Generation verbessern und zu neuen Messgeräten führen, die eine Vielzahl von Anwendungen haben können, einschließlich im Gesundheitswesen.“

Professor Kishan Dholakia arbeitete mit Morgan Facchin und Dr. Graham Bruce von der University of St. Andrews zusammen.

„Wir haben Licht in ein körniges Muster, das als ‚Speckle‘ bekannt ist, durcheinander gebracht, indem wir entweder ein Stück Glasfaser von der Breite eines menschlichen Haares oder eine hohle Kugel verwendet haben, in der das Licht viele Male hin und her springt, bevor es austritt“, sagte Professor Dholakia.

Das Speckle-Prinzip lässt sich leicht visuell demonstrieren.

„Wenn Sie einen Laserpointer auf eine raue Oberfläche wie eine gestrichene Wand oder ein Stück mattiertes Klebeband richten, wird das Licht des Lasers in das körnige Sprenkelmuster verschlüsselt“, sagte Professor Dholakia.

„Normalerweise denken wir, dass das Verschlüsseln eines Signals bedeutet, dass wir Informationen verlieren müssen, aber das ist hier nicht der Fall. Wenn Sie den Laser bewegen, ändert sich das genaue Muster, das Sie sehen, dramatisch. Es ist diese Empfindlichkeit gegenüber Veränderungen, die Speckle zu einer guten Wahl macht Präzisionsmessung.“

In bereits durchgeführten Arbeiten des Teams wurden diese Speckle-Muster verwendet, um die Wellenlänge – oder Farbe – von Licht mit der Genauigkeit eines Attometers zu messen, was der Messung der Länge eines Fußballfelds mit einer Genauigkeit entspricht, die der Größe eines Atoms entspricht.

Im letzten Fortschritt hat das Team Speckle verwendet, um den Brechungsindex von Gasen zu messen. Der Brechungsindex eines Materials sagt uns, wie schnell sich Licht in diesem Material ausbreitet, und Änderungen dieses Brechungsindex können verwendet werden, um nach subtilen Änderungen in den Eigenschaften eines Materials zu suchen.

Schreiben ins Tagebuch ACS Photonikberichtete das Team über Messungen des Brechungsindex von Luft bis zu einem Teil von einer Milliarde – eine Verbesserung um Größenordnungen gegenüber früheren Speckle-basierten Ansätzen.

Kleine Änderungen des Brechungsindex können große Auswirkungen auf die Wahrnehmung haben. Beispielsweise kann eine Infektion den Brechungsindex Ihrer roten Blutkörperchen auf ein Niveau bringen, das von diesem Sensor leicht erfasst werden würde. Das Team hofft, diese Arbeit nicht nur für das Gesundheitswesen, sondern auch für tragbare Feldsensoren vorantreiben zu können, die verschiedene Anwendungen haben werden, einschließlich der Erkennung von Spurengasen oder geringen Konzentrationen von Chemikalien in Flüssigkeiten.