Trois représentations du faisceau 'aiguille d'impulsion', montrant comment les fronts d'onde circulaires s'effondrent en une distribution de puissance mince en forme d'aiguille sans lobes latéraux. Crédit :Kevin Parker/Miguel Alonso
Un nouveau modèle de faisceau conçu par des chercheurs de l'Université de Rochester pourrait apporter une netteté sans précédent aux images ultrasonores et radar, graver des trous précis dans les matériaux manufacturés à l'échelle nanométrique et même graver de nouvelles propriétés sur leurs surfaces.
Ce ne sont là que quelques-uns des éléments de l'"arbre de Noël" des applications possibles du faisceau que Miguel Alonso, professeur d'optique, et Kevin Parker, le professeur d'ingénierie William F. May, décrit dans un article récent de Optique Express .
Le modèle résulte de ce que Parker appelle « une solution mathématique analytiquement belle » qu'Alonso a conçue. Il provoque l'effondrement d'une onde lumineuse ou sonore vers l'intérieur, formant - pendant une simple nanoseconde ou moins - un incroyablement mince, faisceau intense avant que l'onde ne s'étende à nouveau vers l'extérieur.
"Toute l'énergie s'emboîte dans le temps et l'espace donc elle se rassemble - BAM ! - comme un crescendo, " dit Parker, taper dans ses mains de manière explosive pour mettre l'accent. "Cela peut être fait avec une onde lumineuse optique, avec ultrasons, radar, sonar, cela fonctionnera pour tous."
La plupart des faisceaux traditionnels conservent une forme persistante tant que la source fonctionne. Cependant, ils ne sont pas aussi intenses que le faisceau créé par Parker et Alonso, que les chercheurs appellent un "faisceau d'impulsions à aiguille". "C'est très localisé, sans extensions ni lobes latéraux qui emporteraient l'énergie du faisceau principal, " dit Alonso.
lobes latéraux, rayonnant d'un faisceau comme les halos parfois vus autour d'un phare de voiture, sont particulièrement problématiques en échographie. "Les lobes latéraux sont l'ennemi, " dit Alonso. " Vous voulez diriger toutes vos ondes ultrasonores vers la seule chose que vous voulez imager, Donc alors, tout ce qui est reflété vous dira à propos de cette seule chose. Si vous obtenez également une diffusion d'ondes ailleurs, ça brouille l'image."
Parce qu'il est incroyablement étroit, le nouveau faisceau "permet de résoudre les choses à des résolutions exquises, où vous devez séparer les petites choses qui sont proches les unes des autres, " Parker dit, ajoutant que le faisceau pourrait avoir des applications non seulement pour les ultrasons, mais la microscopie, radar, et sonar.
Une représentation du faisceau « impulsion d'aiguille », montrant comment les fronts d'onde circulaires s'effondrent en une distribution de puissance mince en forme d'aiguille sans lobes latéraux. Crédit :Université de Rochester
Selon Alonso, les applications industrielles peuvent inclure toute forme de traitement de matériaux au laser qui consiste à mettre autant de lumière que possible sur une ligne donnée.
L'idée du faisceau d'impulsions à aiguilles est née avec Parker, un expert en échographie, qui s'inspire souvent des fonctions mathématiques d'il y a un siècle ou plus dans les "textes anciens".
« Je pouvais voir une forme générale de la solution ; mais je ne pouvais pas dépasser l'équation, " dit-il " Alors je suis allé voir la personne (Alonso) que je considère comme le plus grand expert mondial en théorie optique et en mathématiques. "
Ils ont trouvé diverses expressions qui étaient « mathématiquement correctes, " Alonso dit, mais correspondait à des faisceaux nécessitant une quantité infinie d'énergie. La solution — « une astuce mathématique particulière » qui pourrait s'appliquer à un faisceau d'énergie finie — lui est venue alors qu'il nageait avec sa femme dans le lac Ontario.
"Beaucoup d'idées que j'ai ne se produisent pas à mon bureau, " dit Alonso. "Cela arrive pendant que je fais du vélo, ou sous la douche, ou nager, ou faire autre chose, loin de la paperasse."
Parker dit que cette découverte poursuit une quête internationale qui a commencé à l'Université de Rochester. En 1986, face au scepticisme mondial, une équipe universitaire comprenant Joseph Eberly, le professeur Andrew Carnegie de physique et professeur d'optique, a offert la preuve d'une nouveauté inattendue, forme lumineuse sans diffraction. Le faisceau dit de Bessel est maintenant largement utilisé.
Lire l'étude de 1986, "Faisceau sans diffraction"
"Cela faisait des décennies que personne n'avait formulé un nouveau type de faisceau, " Parker dit. " Alors, dès l'annonce du faisceau de Bessel, les gens pensaient qu'il pourrait y avoir d'autres nouveaux faisceaux là-bas. La course était lancée.
"Trouver un nouveau modèle de faisceau est comme trouver un nouvel élément. Cela n'arrive pas très souvent."
