Betrapte puls

Het is natuurkundigen van de Universiteit Twente gelukt ultrakorte lichtflitsen te volgen terwijl deze met hoge snelheid door een glazen lichtkanaaltje schieten. De snelheid van de puls kon nauwkeurig worden bepaald en bovendien bleek het mogelijk om metingen te doen aan de golfeigenschappen van het licht.

Tot nu toe werden dit soort metingen gedaan door de eigenschappen van lichtpulsen te bepalen vóór ze een materiaal ingaan en die te vergelijken met de eigenschappen die ze hebben als ze er weer uitkomen. Door daarbij steeds de afstand die in het materiaal wordt afgelegd wat langer te maken wordt min of meer een beeld verkregen van wat er zich binnenin allemaal afspeelt. Deze indirecte methode geeft echter geen uitsluitsel over de wijze waarop eigenschappen lokaal veranderen en kan daardoor tot foute interpretaties leiden (Science, 2 nov.).

Om de puls te kunnen betrappen maakten Marcello Balistreri en zijn collega's gebruik van een optische stethoscoop of PSTM, een scherpe optische vezel met een dikte van slechts 50 nanometer. Door deze vlak boven het lichtkanaaltje te houden kunnen fotonen worden opgevangen die naar buiten lekken wanneer pulsen daar doorheenschieten. Op zich is het al heel wonderlijk dat het licht de dunne stethoscoop in kan, omdat de afmetingen ervan kleiner zijn dan de golflengte van het gebruikte licht. Datzelfde geldt overigens voor de klassieke stethoscoop, waarmee geluidsgolven kunnen worden waargenomen die een golflengte hebben van enkele meters. De kleinste details die met de PSTM kunnen worden waargenomen, worden niet bepaald door de golflengte van het licht zoals bijvoorbeeld het geval is bij een klassieke microscoop maar door de diameter van de optische vezel. Ook hier geldt de analogie met de gewone stethoscoop: daarmee kan de plaats van het hart tot op ongeveer een centimeter nauwkeurig de afmetingen van het buisje waarin het geluid zich voortplant worden vastgelegd.

De onderzoekers uit de groep van Niek van Hulst maakten gebruik van een laser die per seconde tientallen miljoenen pulsen uitzendt met een lengte van ongeveer driehonderd femtoseconden. Ze splitsten deze rode laserbundel in tweeën: terwijl de ene helft van de laserpulsen door het lichtkanaal werd gevoerd, ging de andere helft buitenom, om als referentie te dienen. Na een korte omweg te hebben afgelegd worden deze herenigd met de lichtpulsen die uit het lichtkanaal naar buiten lekken en worden opgevangen door de PSTM. Bij dit samenvoegen treedt interferentie op en uit de sterkte daarvan kon de plaats van de puls tot op een paar duizendste millimeter worden bepaald. Door deze meting te herhalen en de afgelegde omweg te variëren kon de snelheid van de pulsen in het glas worden bepaald. De waarde van 167.000 kilometer per seconde kwam keurig overeen met wat theoretisch voor dit materiaal mag worden verwacht. Vanwege de brekingsindex van het glas is de snelheid van het licht lager dan de lichtsnelheid in vacuüm (300.000 kilometer per seconde), en is ook de golflengte ervan kleiner. Ook dat kon voor het eerst experimenteel nauwkeurig worden geverifieerd.

Fotonische vezels

Het in dit experiment gebruikte lichtkanaaltje laat de lichtgolven bijna volledig ongemoeid. Veel interessanter wordt het echter wanneer dit soort metingen wordt uitgevoerd aan licht dat zich voortplant in fotonische vezels of fotonische kristallen, waarin zich ingewikkelde structuren bevinden om het licht beter onder controle te houden. Voor het eerst kan straks experimenteel worden bepaald wat er zich in dit soort `optische halfgeleiders' afspeelt. De in Twente ontwikkelde techniek kan verder goed van pas komen bij het doormeten van schakelingen zoals die gebruikt worden in telecommunicatiesystemen en op termijn misschien ook voor het analyseren van de werking van een optische computer.