„Filmowanie” spolaryzowanego światła w czasie i przestrzeni
Światło słoneczne i prawie każda inna forma oświetlenia naturalnego bądź sztucznego to fale świetlne, których wektory pola elektrycznego drgają w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku propagacji fali. Jeśli kierunek wektora pola elektrycznego jest dobrze określony, tj. nie zmienia się losowo w czasie, mamy do czynienia ze światłem spolaryzowanym. Najbardziej powszechnym źródłem światła spolaryzowanego jest laser. „Częstotliwość i czas trwania impulsów świetlnych generowanych przez laser to wielkości pojmowane dość intuicyjnie. Inaczej rzecz się ma z polaryzacją, ale to właśnie ona, jedna z podstawowych właściwości światła, może odpowiadać w znacznym stopniu za to, jak oddziałują ze sobą światło i materia. Przykładowo wiązka światła o określonej polaryzacji potrafi przejść przez szklaną taflę idealnie, bez odbicia. Normalne (niespolaryzowane) światło zawsze ulega częściowemu odbiciu – dzięki temu nie pomylimy szklanych drzwi czy okna z powietrzem, mimo że są przezroczyste”, wyjaśnia Helder Crespo, koordynator projektu FastMeasure, finansowanego w ramach działania „Maria Skłodowska-Curie” i prowadzonego przez stypendystę Benjamína Alonso.
Nowatorska technika pomiaru wykracza poza obecne ograniczenia
Pole elektryczne światła, związane ściśle z wielkością wektorową, ma w każdym swoim punkcie określoną wartość, kierunek i zwrot. „W najprostszym przypadku ultrakrótkich impulsów laserowych orientacja przestrzenna ich pola elektrycznego jest stała w czasie. Jednak coraz częściej w zastosowaniach wykorzystujemy zmieniające się w czasie orientacje tego pola”, dodaje Crespo. „Naszym głównym celem było opracowanie techniki charakteryzowania wiązek wektorowych generowanych przez ultraszybkie lasery. Polaryzacja takich wiązek zależy jednocześnie od składowej czasowej i przestrzennej”. Taki opis jest niezmiernie trudny technicznie i przez wiele dziesięcioleci pozostawał poza zasięgiem tradycyjnych technik pomiaru impulsów. W szczególności podczas pomiarów polaryzacji trzeba się zmierzyć z podstawową trudnością, jaką jest określenie przesunięcia fazowego między dwiema ortogonalnymi składowymi pola elektrycznego. Jest to stosunkowo proste, gdy różnica faz między dwoma składowymi ortogonalnymi nie występuje, a fala świetlna jest spolaryzowana liniowo. Ale jeśli składowe pola elektrycznego są różne i nie drgają w fazie, wówczas fala ma polaryzację eliptyczną. Aby obejść ten problem i zmierzyć pełną fazę wiązki, naukowcy zastosowali technikę opartą na podwójnej interferometrii. To właśnie za pomocą interferometrii określili względną fazę dwóch ortogonalnych składowych fali, a za pomocą sprzęgacza światłowodowego – fazę jednej ze składowych. Pierwszy interferometr zawierał w sobie płytkę dwójłomną, która opóźniała składowe wektora pola elektrycznego. W ten sposób udało się uzyskać wspólną drogę optyczną dla interferujących składowych, co również znacznie zmniejszyło ich wrażliwość na szum otoczenia. Korzystając z tej nowatorskiej konfiguracji, naukowcy mogli uchwycić ultraszybkie składowe pola elektrycznego, dla których zmieniała się orientacja drgań. Na przykład rotacja w prawo mogła przejść w drgania liniowe, a następnie ten ruch mógł przekształcić się w rotację w lewo. „Obrazowanie polaryzacji światła zarówno w przestrzeni, jak i w czasie może przyspieszyć postęp w pracach nad tak zwaną pęsetą optyczną – wysoce wydajnym narzędziem wykorzystywanym w badaniach różnych układów biologicznych”, zauważa Crespo. Prace projektowe opisano w czasopiśmie Communications Physics.
Bardziej stabilne i niezawodne ultrakrótkie impulsy laserowe
Inny tor badań to opracowanie blisko spokrewnionej techniki pomiarowej – pierwszej w swoim rodzaju – pozwalającej określić właściwości spójności wiązki i powiązanych z nią niestabilności w ciągu impulsów generowanych przez ultraszybkie lasery. Działania prowadzone w ramach projektu są szczególnie istotne z punktu widzenia prac nad nowatorskimi laserowymi źródłami światłowodowymi, które ze względu na nieliniowości są bardziej ograniczone pod względem mocy średniej i szczytowej niż ich odpowiedniki oparte na ciele stałym. Prace naukowców zgłoszono w czasopiśmie Scientific Reports.
Słowa kluczowe
FastMeasure, światło, pole elektryczne, faza, polaryzacja, orientacja, ultrakrótkie impulsy laserowe, ultraszybkie lasery, pęseta optyczna
