Enschede (NL) – Met een nieuwe techniek volgen Twentse onderzoekers een lichtpuls die door een materiaal reist. Ze bekijken niet alleen de plaats van de puls, maar meten ook de tijd dat deze onderweg is.


Licht heeft de toekomst. Het grote voordeel van licht boven elektronen is dat licht veel meer informatie kan bevatten dan een elektronenstroom. Voor verdere toepassingen is een goed begrip van hoe het licht zich gedraagt binnenin materialen van belang. Twee promovendi aan de Universiteit Twente ontwikkelden een techniek om te bepalen waar een lichtpuls zich bevindt, maar ook hoelang hij onderweg is. Zij presenteren hun resultaten in Science.
Wetenschappers maken veel gebruik van golfgeleiders: een lichtdoorlatende laag van 2 miljoenste millimeterdun, die op een silicium ondergrond is aangebracht. De golfgeleiders dienen onder andere als kanaal in een optische schakeling of chip. Als licht zich door een golfgeleider voortplant, steekt een stuk van het elektromagnetische veld van het licht boven de geleider uit. Dit veld is meetbaar.
Tot nu toe waren er twee manieren om het gedrag van het licht in de golfgeleider te bekijken. De eerste is door te meten wat je de geleider instuurt en wat er weer uit komt. Op deze manier kun je uitrekenen wat er onderweg waarschijnlijk gebeurde. De tweede manier is door te meten aan het uitstekende elektromagnetische veld. Hiermee zie je waar het pulsje is, maar niet precies wanneer.
Voor dit probleem hebben de Twentse onderzoekers een oplossing gevonden. Voordat de lichtpuls de golfgeleider ingaat, splitsen zij hem op in twee stukken. Eén stuk gaat door de geleider. Het andere volgt een omleiding door een glasvezel. De twee pulsjes hebben exact dezelfde lengte en bevatten dezelfde frequenties.

Versterkende lichtpulsen
Op een willekeurig punt net boven de golfgeleider – het meetpunt – tapt een glasvezel met een hele scherpe punt het uitstekende veld van de lichtpuls af. Dit veld wordt gecombineerd met de referentiepuls die via een omweg is gereisd. Als de Twentse onderzoekers het afgetapte veld en de omgeleide puls combineren, interfereren ze. Komen de pulsen tegelijk aan, dan versterken ze elkaar en geven een hoog meetsignaal af. Missen de pulsen elkaar net, dan verzwakken ze elkaar en is het uitgangssignaal zwak.
Licht in een golfgeleider reist met een lagere snelheid dan in een glasvezel. Daarom variëren de natuurkundigen de lengte van de omweg van het omgeleide licht. Dankzij het interferentiepatroon weten de onderzoekers precies hoe lang zij de omweg moeten maken zodat de twee pulsen toch tegelijkertijd bij het combinatiepunt aankomen. De snelheid van de puls in de vezel is net als de lengte van de omweg bekend. Hierdoor weten de onderzoekers exact hoeveel tijd het de lichtpulsen heeft gekost om het aftappunt te bereiken.
Door de plaats van het meetpunt te variëren, bepalen de promovendi op verschillende tijdstippen de plaats van de lichtpuls. In werkelijkheid volgen ze niet één puls, maar komen in een duizendste seconde tienduizenden pulsen langs. Alle duizenden lichtpulsjes worden op dezelfde manier opgesplitst en krijgen dezelfde omweg. Zij zullen er dus allemaal even lang over doen om bij het meetpunt te komen.
Een volgende stap is om niet alleen te bepalen hoelang een puls onderweg is, maar ook welke kleuren het pulsje onderweg is verloren. De ultrakorte lichtpulsen bevatten namelijk veel verschillende frequenties. Soms heeft een kleur moeite om een hindernis zoals een krasje te nemen en blijft achter. Dit is van belang in de nieuwste tak van nano-optica. Hierbij willen onderzoekers materialen zo manipuleren dat licht daarin precies doet wat zij willen, zoals informatie dragen in een computerchip.

Marijn Sandtke