7 mei. 2008
3 minuten
Hoe passeert licht een piepklein gaatje? Dr. Aurele Adam en prof.dr. Paul Planken van de TU Delft zijn er, in samenwerking met twee Zuid-Koreaanse en één Duitse onderzoeksgroep, voor het eerst in geslaagd dit proces goed in kaart te brengen. Tevens belooft hun onderzoek op termijn een belangrijke verbetering van de Terahertz-microscopie, een potentieel aantrekkelijke nieuwe beeldvormingstechniek, en Terahertz-microspectroscopie, een techniek om kleine hoeveelheden van een stof te kunnen identificeren met licht. De wetenschappers publiceren deze week over hun bevindingen in het wetenschappelijke tijdschrift Optics Express.
Het is uit de natuurkunde bekend dat het bijzonder moeilijk is om licht door een gaatje te krijgen dat kleiner is dan de helft van de golflengte van het gebruikte licht. De onderzoekers van de TU Delft hebben dit proces nu, met anderen, inzichtelijk gemaakt door te meten met zogenoemde Terahertz-straling (THz-straling). Dit is ‘ver’ infrarood licht met een frequentie van rond de 1012 Hz. Met dit type straling waren de onderzoekers in staat om de elektrische veldsterkte van het doorvallende licht nabij het gaatje te meten en niet, zoals gebruikelijk, de intensiteit van het doorvallende licht. Uit de waarden voor het elektrische veld is veel meer informatie te verkrijgen over hoe licht zich gedraagt in zo’n situatie, dan uit de intensiteit. Het meten van de elektrische veldsterkte gebeurt met zeer hoge nauwkeurigheid door de brekingsindex van een kristal vlakbij het gaatje te meten met een laserbundel. De brekingsindex van het kristal varieert namelijk (zeer licht) als het zich in een wisselend elektrisch veld bevindt. Door de variaties in de brekingsindex te meten, zijn er dus conclusies te trekken over de sterkte van het elektrische veld van het licht nabij het gaatje.
Bouwkamp
‘Dit proces is nog nooit goed in kaart gebracht, vooral omdat de technieken om dit te doen nog niet voorhanden waren’, zegt Planken. De experimenten bevestigen volgens hem, voor het eerst, grotendeels het zogenoemde model van Bouwkamp, een Nederlandse onderzoeker die bij Philips werkte en die in 1950 een theoretisch model opstelde voor de manier waarop licht door een klein gaatje komt. Zo is de elektrische veldsterkte, zoals door Bouwkamp voorspeld, het sterkst aan de randen van het gat en neemt de sterkte van dat veld inderdaad lineair af met de frequentie van het gebruikte THz licht. In hun experimenten vonden de onderzoekers verder dat, zelfs als het gaatje tot wel vijftig maal kleiner is dan de gebruikte golflengte, er toch nog voldoende licht doorheen komt om vlakbij het gat aan te kunnen meten, iets wat met andere technieken extreem moeilijk is. De techniek heeft het ook mogelijk gemaakt om opnames te maken van het hele proces waarin een duizend miljard (1012) keer vertraagd te zien is hoe het licht uit het gat komt, waarna de lichtgolven zich uitbreiden als ringvormige golven in een vijver waar een steen in geworpen is.
Toepassingen
De bevindingen van Planken en zijn collega’s zijn echter zeker niet louter van theoretisch belang. Ze kunnen de toepassing van zogenoemde Terahertz-microscopie (THz) verder helpen. Planken wil de kleine gaatjes op termijn namelijk gebruiken als een verbeterde bron van THz-licht. Naarmate deze brongaatjes kleiner zijn, zijn er met deze techniek scherpere afbeeldingen te maken en wordt het ook makkelijker om aan kleine hoeveelheden van een stof te meten.
Terahertz-straling (met een frequentie van rond de 1012 Hz) is een vorm van elektromagnetische straling die steeds vaker gebruikt wordt voor het maken van afbeeldingen. Veel materialen, zoals papier, plastics en kleding, zijn immers transparant voor THz-straling, terwijl ze zichtbaar licht blokkeren.
Terahertz-microscopen kunnen nu nog niet zo scherp zien. Door de ontwikkeling van sterkere en kleinere bronnen en gevoeligere detectoren wordt het afbeelden van, bijvoorbeeld, biologische cellen met THz-straling echter steeds aantrekkelijker.
Anderen lazen ook
