Tırnak büyüklüğündeki çip karışık ışığı temiz ışınlara dönüştürüyor

Stanford mühendisleri ve meslektaşları, birden fazla lazerden gelen karışık ışık karışımını alıp temiz ışık huzmeleri çıkarabilen bir çip tasarladılar. Araştırmacılar ilk kez karışık veya kısmen tutarlı ışığı alabilen ve fotonlarını ayrı ışınlardan oluşan net bir dizi halinde sıralayabilen bir cihazı gösterdiler.

Bulgu, şu tarihte yayınlandı: Doğa Fotoniğimikroskopi, astronomi ve daha birçok alanda potansiyel kullanımlarla çevremizdeki dünyayı gözlemlemenin benzersiz bir yolunun kilidini açarken, uzun süredir teorileştirilmiş fiziği temel alıyor.

Doktora derecesi olan eşbaşkan yazar Annie Kroo, “İlk kez 1980’lerde düşünülen şeyleri deneysel olarak gösteriyoruz” dedi. elektrik mühendisliği öğrencisi. “Bu çalışmanın birçok farklı uygulama üzerinde büyük bir etkisi var çünkü olaylar hakkında tamamen yeni bir şekilde düşünmemize olanak sağlıyor.”

Dans eden fotonlar

Kroo, bir ampulün tutarsız bir ışık kaynağı olduğunu ve lazerin tutarlı bir ışık kaynağı olduğunu açıkladı. Lazeri bir ağ üzerinden yönlendirdiğinizde, karşı yüzeydeki ışık benekli bir desen oluşturur. Bir ampulü aynı ağa tuttuğunuzda daha yumuşak, daha dağınık bir ızgara ortaya çıkar.

Kroo, lazerdeki fotonların hepsinin birlikte salındığını, bunun duvarda daha keskin şekillere yol açtığını, çünkü bazı alanlarda ışık birbirine eklenirken diğerlerinde kendini iptal ettiğini söyledi. Aksine, ampulün fotonları senkronize olmayan bir şekilde çarparak bulanık bir desene yol açıyor.

Araştırmacılar yeni iletişim, bilgi işlem ve algılama türlerini mümkün kılmak için ampul tarzı ışığın içerdiği farklı ritimleri çözmek istiyor.

Avusturya Bilim ve Teknoloji Enstitüsü’nde yardımcı doçent ve eski Stanford Bilim Üyesi olan ortak yazar Charles Roques-Carmes, “Optikte, ışığın kısmen tutarlı olan gerçek doğasından yararlanmak ve onu çeşitli uygulamalar için kullanmak için yeni bir fırsat görüyoruz” dedi. “Bunu yapmak için, onu karşılıklı olarak tutarsız veya istatistiksel olarak ilişkisiz olan ışık demetlerine ayırmanız gerekir.”

Bu olasılığı test etmek için ekip, tırnak büyüklüğünde bir fotonik çip kullandı. Fotonik çipler, dizüstü bilgisayarlardaki ve cep telefonlarındaki mikroçiplerin elektronları kullanmasına benzer şekilde veri işleme için fotonları kanalize eder. Bu ışık bazlı çipler son yıllarda daha küçük ve daha güçlü hale gelmiş olsa da, içindeki parçacıkların karıştırılması hala bir zorluktur.

Stanford’da mühendislik profesörü Audrey S. Hancock olan ortak yazar Olav Solgaard, “Tıpkı bir çip üzerine koyarak daha iyi elektronikler yapabileceğiniz gibi, bir çip üzerine yerleştirerek daha iyi optikler de yapabilirsiniz” dedi.

Işığı karıştırma ve eşleştirme

Deneylerinde araştırmacılar, ışık kaynaklarını karıştıran iki kızılötesi lazeri çipin içine doğrulttular. Birleşik ışık kısmen tutarlıydı, bu da fotonların salınımlarının kısa bir süre için sıralandığı ancak sonunda uyumsuz olduğu anlamına geliyordu. İçeride çipin algoritmaları ve mimarisi, ışığı kaynaklarına göre otomatik olarak sıraladı.

Daha sonra çip, ayrılmış ışık ışınlarını üretti. Araştırmacılar bu ışınları, yoğunluk bakımından bir araya gelip gelmeyeceğini görmek için onları karıştıran bir cihaz aracılığıyla yönlendirdiler, ancak iki ışın senkronize olmadı; bu da bunların bağımsız, karşılıklı olarak tamamen tutarsız ışık ışınları olduğunu gösterdi.

Cesaretlenen ekip, girdiye üçüncü bir lazer ekledi. O zaman bile çip, karışımı saf ışınlara ayırmayı başardı. Avusturya Bilim ve Teknoloji Enstitüsü’nün akademik ziyaretçisi ve Fransa’daki Corps des Mines’de mühendislik öğrencisi olan eşbaşkan yazar Paul-Alexis Mor, “Çıktılara baktığınızda bunların tamamen senkronize olmadığını görürsünüz; artık kesinlikle hiçbir korelasyon yoktur” dedi.

Stanford’un WM Keck elektrik mühendisliği profesörü, emekli ortak yazar David Miller, çipin içindeki algoritmaların, kısmen tutarlı ışık içindeki benzersiz imzaları belirleyerek tutarlı bileşenleri ayırmasına olanak sağladığını söyledi.

Stanford’da Joseph ve Hon Mai Goodman profesörü olan ortak yazar Shanhui Fan, “Çipimiz, bilinmeyen bir ışık alanının altında yatan tutarlılık modlarını öğreniyor ve bunları fiziksel olarak ayrı çıktılara yönlendiriyor” dedi. “Bu bize, ayrılmış ışığı daha sonraki işlemler için kullanılabilir tutarken, ışığın mekansal tutarlılığını analiz etmenin bir yolunu sunuyor.”

Resmin tamamını görmek

Karışık ışığı tutarlı bileşenlerine ayırmak, araştırmacıların en gelişmiş kameralarla karşılaştırıldığında bile ışıktan daha fazla bilgi elde etmesine olanak sağlayabilir. Üst üste binen ışık kaynakları, bir kameranın iki boyutlu görüntüsüne dönüştürüldüğünde bir araya toplanma eğilimindedir.

Miller, “Bir kamerada derinlik bilgisini atıyoruz” dedi. “Işığın bu şekilde ayrılmasını sağlayarak, onun hakkında bilinebilecek her şeyi biliyoruz. Var olan derinlik bilgisini elde edebiliriz.”

Örneğin, mikroskop altında iki floresan parçacık üst üste biniyorsa geleneksel görüntülemede tek gibi görünebilirler. Ancak bu fotonik çip tabanlı yöntem, prensipte, farklı kaynaklardan gelen ışığı ayırt edebiliyor. Kroo, “Uzaysal olarak örtüşseler bile ışığın içerdiği bilgi, farklı ışık kaynaklarının olduğunu gösteriyor” dedi.

Miller, Solgaard ve Kroo şimdi yeni teknolojinin uzak galaksilerden gelen ışığı inceleyip inceleyemeyeceğini görmek için NASA ile işbirliği yapıyor. Örneğin, bir teleskopta tek bir damla olarak görünen ışık aslında ayrı yıldızlardan ve ötegezegenlerden yayılan farklı şeritler içerebilir.

Kroo, “Dünyamızdaki bilgilerin çoğu hafif formda” dedi. “Işık, çevredeki şeyleri ölçmek için güzel bir ortamdır.”