Een lichtbundel focussen doe je meestal met een lens of met een kromgebogen spiegel. Nu is het onderzoekers gelukt om licht te focussen met een platte spiegel. Theoretici hadden al voorspeld dat dit mogelijk is, maar het was nog niet eerder experimenteel aangetoond.
Licht focussen met spiegels is niet nieuw. Al in 200 voor Christus zou Archimedes enorme, kromme focusspiegels hebben ontworpen om Romeinse schepen in brand te steken die de stad Syracuse aanvielen. Tegenwoordig gebruiken de grootste telescopen spiegels met nauwkeurig berekende krommingen om zwak sterlicht in de gevoelige meetapparatuur te focussen.
Maar spiegels maken met precies de juist kromming is lastig. Zeker als het gaat om piepkleine spiegeltjes voor toekomstige fotonica; technologie waarbij signalen worden verstuurd met licht. Een internationale onderzoeksgroep heeft daarom een piepklein, plat spiegeltje ontwikkeld dat werkt als een lens.
Platte spiegel
De focusspiegeltjes die de onderzoekers maken, bestaan uit een plakje diëlektrisch materiaal van 0,01 bij 0,01 millimeter groot en 0,001 millimeter dik op een spiegelende silicium ondergrond. Het diëlektrische materiaal bestaat uit laagjes met verschillende brekingsindices waardoor het licht dat erop valt op verschillende manieren gebroken wordt. Dit is vergelijkbaar met de verschillende brekingsindices van water en lucht, waardoor een potlood dat je half in het water steekt gebroken lijkt.
De onderzoekers kozen de laagjes van het diëlektrisch materiaal zo dat het licht dat door de laagjes met verschillende brekingsindices uiteindelijk op dezelfde manier wordt afgebogen als in een lens. ‘In het experiment gebruikten we vierkante spiegeltjes’, mailt Igor Minin, hoogleraar aan de polytechnische universiteit van Tomsk in Rusland. ‘Maar de vorm is niet belangrijk. Als er licht op het dunne diëlektrisch materiaal valt, wordt de gereflecteerde lichtbundel gefocust in het brandpunt. We zijn erin geslaagd dit experimenteel te bewijzen.’
De onderzoekers toonden aan dat lichtbundels van 0,01 millimeter breed, in het zichtbare spectrum, gefocust worden tot ongeveer een tiende van de breedte. Ze lieten hiervoor de lichtbundels onder verschillende hoeken op het focusspiegeltje vallen. Door de dikte van de laagjes in het diëlektrische materiaal aan te passen, kunnen ook andere golflengtes (kleuren) licht gefocust worden.
Optische pincet
Het gemak waarmee deze kleine, platte focusspiegeltjes te produceren zijn, maakt ze geschikt voor het gebruik in micro-elektronica. ‘Een interessante toepassing waar nu al naar wordt gekeken, is het verbeteren van optische pincetten’, zegt Minin. Optische pincetten, waar in 2018 een Nobelprijs voor werd uitgereikt, worden veel gebruikt voor biologisch, scheikundig en natuurkundig onderzoek.
‘De volgende stap is om de focus verder te verbeteren’, zegt Minin. De onderzoekers willen de lichtbundel kunnen focussen in een punt van een enkele honderdduizendste van een millimeter groot.
