Hvordan kan en farve blive til en anden? Og hvad har det med moderne spektroskopi og ubrydelig sikker kommunikation at gøre?
I vores forskningsgruppe undersøger vi, hvordan man kan blande lys på en særlig måde – kaldet firebølgeblanding (se boks 1 'Om firebølgeblanding') – hvilket foregår i lysledere af glas, hvor fire lysfelter vekselvirker med hinanden og kan skabe nye farver.
Effektiv firebølgeblanding forekommer når lys fra en laser presses ned på et lille område, som det er tilfældet i en lysleder, der er lige så tynd som et hår, således at lysintensiteten bliver ekstrem høj.
Via vekselvirkning med elektronerne i glasset gør firebølgeblanding det muligt at forstærke svage lyssignaler og generere laserlys i farver, som normalt er svært tilgængelige.
Derved kan man skabe en hvilken som helst farve, altså udvælge en hvilken som helst bølgelængde (se billede 1 i galleriet øverst i artiklen).
Firebølgeblanding til fluorescens mikroskopi
To spørgsmål, som har pirret forskeres nysgerrighed gennem mange år, er, hvad celler består af, og hvilke kemiske processer som finder sted i levende biologisk materiale.
Med en rivende teknologisk udvikling, for eksempel inden for firebølgeblanding, er vi tættere på svaret end nogensinde.
Når molekyler i en biologisk prøve udsættes for lys, kan de blive exciteret til et højere energiniveau og efterfølgende udsende lys, som kan detekteres – såkaldt fluorescens spektroskopi.
Bølgelængden af det udsendte lys er karakteristisk for hvert enkelt molekyle, og røber derfor hvilke molekyler, der er til stede i prøven.
Da der kræves den helt rigtige bølgelængde for at excitere molekylerne, er lyskilden en essentiel del af fluorescens spektroskopi.
Derudover kræver nogle afbildnings metoder to synkroniserede lyspulser, som netop kan leveres i en firebølgeblandingsproces.
I samarbejde med den danske virksomhed NKT Photonics A/S undersøger vi skabelsen af nye farver via firebølgeblanding i en bestemt type lysleder, den optiske fiber (se boks 2 'Om firebølgeblanding).
På billede 2 i galleriet ses et tværsnit af den mest almindelige optiske fiber, som bruges til at sende lys over store afstande.
I midten ses et eksempel på en såkaldt fotonisk krystalfiber, som har specielle egenskaber, der kan styres meget præcist ved hjælp af designet af hulstrukturen.
Fiberen til højre er en speciel fotonisk krystalfiber, som er designet til at opfylde det særlige krav om optisk fasetilpasning i den ønskede firebølgeblandingsproces (se boks 3 'Om fasetilpasning').
En fotonisk krystalfiber, som den til højre på billede 2 i galleriet, består af glas og leder lys primært i kernen, som sidder i centrum af fiberen. Området uden om kernen kaldes kappen og består af lufthuller (hvide cirkler) og af nogle Germanium-doterede områder, som giver anledning til et højere brydningsindeks end glas i disse områder (mørkeblå cirkler).
Kombinationen af luft og Germanium i lyslederens kappe kan udnyttes til at styre firebølgeblandingsprocessen i fiberen. Derved kan de genererede bølgelængder styres med høj præcision.
På billede 3 i galleriet ses en skematisk illustration af firebølgeblandingsprocessen i den specielle fotoniske krystalfiber.
En kraftig laser puls med en bølgelængde på 1064 nanometer bliver sendt ind i lyslederen. Langs lyslederen vekselvirker denne puls med glasset og nye bølgelængder bliver skabt; i de farvede rammer på billede 3 ses billeder af lyset ved udgangen af fiberen ved nye bølgelængder.
I denne lysleder dannes der i alt fire nye bølgelængder svarende til to forskellige firebølgeblandingsprocesser: To fotoner ved 1064 nanometer er destrueret ved at skabe en foton ved 995 nanometer og 1145 nanometer, og to fotoner ved 1064 nanometer er destrueret ved at skabe en foton ved 848 og 1425 nanometer.
Processen er illustreret på billede 4. Fotonerne med bølgelængderne 848 og 1425 nanometer dannes først i fiberen. Efter et længere stykke fiber dannes også lys ved 995 og 1145 nanometer.
Som set på billede 3, vil 995 og 1145 nanometer dannes med samme lysfordeling i kernen som 1064 nanometer laserpulsen, 848 og 1425 nanometer dannes med en anderledes lysfordeling (den samme som illustreret på billede 7(b) i galleriet).
Dette skyldes fasetilpasningen er opfyldt for netop disse lysfordelinger. Denne proces kan bruges til at skabe nye bølgelængder, der kan anvendes i fluorescens spektroskopi.
Firebølgeblanding til ubrydelig sikker kommunikation
En helt anden anvendelse af ulineær fiberoptik er informationsudveksling.
Verdens behov for hurtigt kommunikation vokser med stor hastighed (ca. 40 % om året!) og herunder også nødvendigheden af at kunne sikre sine data imod at blive opsnappet af fremmede, der lytter med på linjen.
I dag gøres dette ved at kryptere sine data, sådan at der skal bruges en nøgle til at læse dem, men denne nøgle kan stjæles, og derfor er det muligt for fremmede at bryde ind i privat information, uden at ejeren har kendskab til det.
En potentiel løsning på dette problem er at sende information mellem to personer ved at distribuere den hemmelige nøgle i en såkaldt kvantetilstand.
Denne metode benytter kvantemekanik til at sikre, at kommunikationen af nøglen er 100 procent ubrydelig, og at ejeren tilmed vil vide besked, hvis nogen forsøger at tilgå nøglen: fuldstændig sikker kommunikation kan altså blive en realitet i fremtiden.
For at kunne benytte kvantetilstande af lys i optisk kommunikation kræves det, at man er i stand til at detektere lyset effektivt, og at man kan konvertere det til andre ønskede bølgelængdekanaler, som anvendes ved langdistancetransmission.
Et problem er dog, at information skal transmitteres ved infrarøde bølgelængder, hvor optiske transmissionsfibre har det laveste tab af lysintensitet, mens nutidens detektorer til at måle lys er mest effektive ved synlige bølgelængder.
Det vil sige, at lyssignalet, som krypteringsnøglen sendes i, skal sendes ved infrarøde bølgelængder, men når det skal detekteres, skal det være i det synlige område (se billede 5 i galleriet).
Firebølgeblanding giver mulighed for at ændre lysets bølgelængde, såfremt man kan få fasetilpasningen til at stemme.
Men jo større bølgelængdeområde, man ønsker at konvertere signaler over, desto mere kompliceret er fasetilpasningen, og sammenlignet med skift imellem bølgelængdekanaler i transmissionsvinduet ved ca. 1450 – 1600 nanometer (se billede 1) er skiftet fra disse bølgelængder til synligt lys et stort spring.
Et andet problem er, at små bølgelængdeskift i transmissionsvinduet, hvori fasetilpasning ikke er noget problem, bliver forstyrret af andre ulineære effekter, for eksempel Raman spredning, som er vekselvirkning mellem lys og molekylesvingninger i fibermaterialet.
Raman spredning kan bruges til at designe optiske forstærkere (og til spektroskopi), men i relation til firebølgeblanding bidrager effekten med en betydelig mængde støj.
For at overkomme disse udfordringer og muliggøre sikker kommunikation i fremtiden arbejder vi i vores forskningsgruppe dels på at analysere avancerede egenskaber ved firebølgeblanding og dels på at finde måder hvorpå fasetilpasning kan opnås over store bølgelængdeskift.
Der findes forskellige konfigurationer af firebølgeblanding, som vist på billede 6; én særlig egenskab ved firebølgeblanding er, at den i konfigurationerne (c) og (d) er kvantetilstandsbevarende.
Dette er yderst vigtigt for distribution af kvantenøgler, da nøglen således er bevaret under bølgelængdeskift.
Denne egenskab betyder også at processen er fuldstændig støjfri, hvilket er noget særligt, fordi optiske processer normalt lider af tilføjelse af pumpestøj på grund af spontan emission.
Som beskrevet foroven kan man bruge et specielt fiberdesign til at påvirke fasetilpasningen i fiberen, men de fotoniske krystalfibres komplicerede struktur gør dem sværere at fremstille så fejlfri som konventionelle cirkulært symmetriske fibre.
Da fejlraten i signalbehandlingen af optiske signaler er en yderst vigtig parameter i optisk kommunikation, er de fotoniske krystalfibre derfor mindre egnede.
Alternativt kan man benytte at lys har forskellige tilladte rumlige tilstande i lysledere, som det kan propagere fremad i.
Dette kan forstås sådan, at lyset i en cirkulært symmetrisk fiber som udgangspunkt er stærkest i midten af kernen og faldende med stigende radius, som på billede 7 (a) i galleriet, men at også andre rumlige fordelinger af lyset kan forekomme.
I flere forskellige forskningsprojekter, hvor vi arbejder sammen men bl.a. NKT Photonics A/S og OFS Fitel Denmark Aps., undersøger vi excitation og anvendelse af lys med forskellige rumlige fordelinger.
I relation til firebølgeblanding er det specielt udbredelseshastigheden af individuelle tilstande, der er interessant.
Når lyset propagerer i en af disse alternative tilstande ændres fasetilpasningen således, at selv bølgelængder, som ligger langt fra pumpen, kan indgå i firebølgeblandingen, og det er dermed i princippet muligt at konvertere kvantetilstande fra det synlige spektrum til transmissionsvinduet.
Eksempler på alternative rumlige fordelinger af lys i en fiber ses på billede 7 (b)-(d) i galleriet.
Men selvom fasetilpasningen er helt perfekt, kan Raman spredning være et problem: i et bølgelængdeområde på ca. 130 nanometer på hver side af hver pumpe påvirker Raman spredning det optiske signal ved enten at tage eller give uønskede fotoner.
Nogle af disse fotoner (de stimulerede) forstærker eller dæmper blot signalet, hvilket i nogle situationer ikke skader ret meget, mens andre fotoner (de spontane) er støj, som ultimativt ødelægger signalet.
Et eksempel på Raman spredningens effekt på firebølgeblandingsprocessen ses på billede 8 i galleriet, hvor spektrene for både stimuleret (fuldt optrukne linjer) og spontan (stiplede linjer) Raman spredning er vist for begge pumper (blå og rød).
Pumperne dæmper signalerne til venstre for dem via stimuleret Raman spredning og giver støjfotoner via spontan Raman spredning.
Vi har i vores forskning blandt andet vist, at det er muligt at undgå spontane fotoner ved at give pumperne en bestemt forskel i styrke og samtidig køle fiberen til 77 K med flydende nitrogen.
Denne artikel er den anden i en serie om moderne lys-teknologi, skrevet af forskere fra DTU Fotonik. Serien bringes i anledning af, at 2015 er udnævnt til "Lysets år". Læs seriens første artikel WaveTouch: Dansk teknologi kan gøre din smartphone endnu bedre
Boks 1: Om lysledere
Billede 1: Den synlige del af det elektromagnetiske spektrum består af bølgelængder fra ca. 390 nanometer til 700 nanometer. Kortere bølgelængder ligger i det ultraviolette område og længere bølgelængder ligger i det infrarøde område.
Billede 2: Tværsnit af forskellige optiske fibre af glas. De hvide cirkler er lufthuller, og de større mørkeblå cirkler er områder med højere brydningsindeks end glas. I fiberen til venstre ledes lyset i kernen med svagt højere brydningsindeks, mens lyset i de to andre fibre ledes i området uden huller i midten af fibrene.
Billede 3: Illustration af forsøgsopstillingen til firebølgeblanding i den specielle fotoniske krystal fiber. Laserpulser med bølgelængde 1064 nanometer sendes ind i fiberen. På udgangen ses de nye optiske komponenter ved 848, 995, 1145 og 1425 nanometer.
Billede 4: Illustration af firebølgeblandingsprocessen i en optisk fiber. Energien fra fotonen ved 1064 nanometer bliver konverteret til fotoner ved andre bølgelængder. 848 og 1425 nanometer dannes først i fiberen, hvorefter 995 og 1145 nanometer dannes.
Billede 5: Skitse over transmission af en krypteringsnøgle i en kvantetilstand. Kvante-forbundne fotoner (nøglen) udsendes fra en gruppe af atomer ved 400 – 700 nanometer, hvorefter de skal konverteres til 1550 nm. Efter transmission skal de konverteres tilbage til det synlige spektrum, hvor de kan detekteres effektivt.
Billede 6: Eksempler på konfigurationer af firebølgeblanding. Diagrammerne (a) og (b), hvor den midterste bølge bidrager med to fotoner, giver optisk forstærkning af de små signaler. Diagrammerne (c) og (d) giver frekvenskonvertering. De grå pile angiver hvilken vej fotoner går under firebølgeblandingen.
Billede 7: Forskellige rumlige fordelinger af lyset i en fiber. (a) kaldes den fundamentale tilstand og (b)-(d) højere ordens tilstande. Den sorte ring markerer fiberens kerne. Med et mikroskop kan man se disse tilstande i enden af en fiber, som der sendes lys igennem.
Billede 8: Diagram over effekten af Raman spredning fra pumperne på firebølgebladning. Stimuleret Raman spredning (fuldt optrukne linjer) giver optisk forstærkning eller dæmpning, og spontan Raman spredning (stiplede linjer) giver støj, som ødelægger optiske signaler. Kurverne over bøgelængdeaksen indikerer, at signalerne får fotoner af pumperne, mens kurverne under aksen indikerer, at signalerne mister fotoner til pumperne.
