La lumière est de nature polyvalente. En d'autres termes, il présente des caractéristiques différentes lorsqu'il voyage à travers différents types de matériaux. Cette propriété a été explorée avec diverses technologies, mais la manière dont la lumière interagit avec les matériaux doit être manipulée pour obtenir l'effet souhaité. Cela se fait à l'aide de dispositifs spéciaux appelés modulateurs de lumière, qui ont la capacité de modifier les propriétés de la lumière.

Une de ces propriétés, appelé effet Pockels, est vu lorsqu'un champ électrique est appliqué au milieu à travers lequel la lumière se déplace. Normalement, la lumière se plie lorsqu'elle frappe n'importe quel support, mais sous l'effet Pockels, l'indice de réfraction du milieu (une mesure de combien la lumière se courbe) change proportionnellement au champ électrique appliqué. Cet effet a des applications en ingénierie optique, communication optique, affichages et capteurs électriques. Mais, exactement comment cet effet se produit dans différents matériaux n'est pas clair, rendant difficile l'exploration complète de son potentiel.

Dans une étude révolutionnaire publiée dans Continuum de l'AOS , une équipe de scientifiques dirigée par le professeur Eiji Tokunaga de l'Université des sciences de Tokyo a mis en lumière le mécanisme de l'effet Pockels dans un nouveau type de modulateur de lumière. Jusque récemment, cet effet n'avait été observé que dans un type particulier de cristal, ce qui est coûteux et donc difficile à utiliser. Il y a douze ans, Le professeur Tokunaga et son équipe ont observé cet effet pour la première fois dans la couche supérieure (également appelée couche interfaciale) de l'eau lorsqu'elle est en contact avec une électrode. L'effet n'est pas observé dans la majeure partie de l'eau.

Bien que le coefficient de Pockels (une mesure de l'effet Pockels) soit d'un ordre de grandeur supérieur, un détecteur très sensible était nécessaire car l'effet n'était généré que dans la fine couche interfaciale. En outre, même son mécanisme n'était pas clairement compris, complique encore davantage le processus. Le professeur Tokunaga et son équipe voulaient trouver une solution, et après de nombreuses épreuves, ils ont finalement réussi. Discuter de sa motivation pour l'étude, Le professeur Tokunaga dit, « Il est difficile de mesurer le signal électro-optique en utilisant l'eau comme milieu car il ne se produit que dans une couche mince. Par conséquent, nous voulions trouver un moyen d'extraire un signal important du milieu qui ne nécessiterait pas de mesures de haute sensibilité et serait plus facile à utiliser. »

Pour faire ça, les scientifiques ont créé une configuration avec une électrode transparente sur une surface de verre dans l'eau, et un champ électrique lui a été appliqué. La couche interfaciale (appelée aussi la double couche électrique, ou EDL) n'a que quelques nanomètres d'épaisseur et présente des propriétés électrochimiques différentes du reste de l'eau. C'est aussi la seule partie de l'eau où l'effet Pockels peut être observé sous un champ électrique. Les scientifiques ont utilisé le concept de réflexion totale pour créer un grand angle à l'interface entre l'eau et l'électrode. Ils ont observé que lorsque la lumière traverse l'électrode et pénètre dans l'EDL, des changements dans l'indice de réfraction des deux couches peuvent modifier le signal réfléchi.

Étant donné que l'indice de réfraction dans l'électrode transparente est plus grand que pour l'eau et le verre (1,33 et 1,52, respectivement), la quantité de lumière réfléchie aux deux extrémités augmente, provoquant ainsi un effet Pockels plus amélioré. C'était important parce qu'un grand un signal plus amélioré signifierait que même des appareils à faible sensibilité pourraient être utilisés pour le mesurer. De plus, car le montage expérimental n'est pas complexe, constitué uniquement d'une électrode transparente plongée dans de l'eau contenant des électrolytes, cette méthode est beaucoup plus simple à utiliser. Sans parler de, l'eau est un milieu peu coûteux, résultant en un processus à faible coût global. En élaborant ces conclusions, Le professeur Tokunaga dit, "Grâce à notre technique, nous avons observé une modulation de la lumière avec un changement d'intensité maximal de 50 % proportionnel à la tension alternative appliquée."

Fort de ces observations, Le professeur Tokunaga et son équipe ont voulu vérifier ces résultats à l'aide de calculs mathématiques. Ils ont été surpris de constater que les calculs théoriques correspondaient aux résultats expérimentaux. De plus, ils ont observé que théoriquement, une modulation d'intensité lumineuse de 100 pour cent pourrait être obtenue, ce qui était passionnant car cela confirmait leurs découvertes. Le professeur Tokunaga dit, "Les résultats ont été surprenants, mais ce fut encore plus surprenant lorsque notre analyse théorique montra qu'elles pouvaient être parfaitement expliquées par les connaissances optiques existantes. Les résultats de cette recherche s'appliquent non seulement à des éléments de modulation de lumière uniques et à des capteurs d'interface utilisant de l'eau, mais le principe d'amélioration découvert ouvre la possibilité d'utiliser n'importe quelle interface qui existe universellement."

Cette nouvelle méthode de modulation de la lumière constitue une meilleure alternative à celles existantes, en particulier en raison d'avantages tels qu'un faible coût et une détection plus facile. Le professeur Tokunaga et son équipe pensent qu'en découvrant de nouveaux mécanismes de modulation de la lumière, leur étude ouvrira des portes pour des recherches plus avancées dans ce domaine. Le professeur Tokunaga dit, "Notre technologie unique de modulation de la lumière est sans précédent et a de nombreuses applications possibles car elle montre un moyen général d'extraire un grand signal de Pockels à partir d'une interface universellement existante. De plus, nous espérons que notre étude donnera naissance à un nouveau domaine de recherche en optique, révolutionnant ainsi le domaine.