(PhysOrg.com) -- Dans une nouvelle étude, les scientifiques ont montré que le simple fait d'adapter les paramètres géométriques à l'échelle nanométrique des structures diélectriques peut entraîner une augmentation de l'intensité lumineuse à des niveaux sans précédent. Théoriquement, ils calculent que l'intensité lumineuse pourrait être augmentée jusqu'à 100, 000 fois celle de l'intensité incidente sur de grands volumes. Cette importante amélioration de la lumière pourrait conduire à de nouveaux développements dans les applications de commutation tout optique et de biodétection.
Les chercheurs, Rebecca Sainidou du Conseil national espagnol de la recherche (CSIC), Jan Renger de l'Institut des sciences photoniques (ICFO), et coauteurs de divers instituts en Espagne, ont publié leur étude sur la nouvelle méthode d'amélioration de la lumière diélectrique dans un récent numéro de Lettres nano .
Comme l'expliquent les scientifiques, l'un des plus gros problèmes des dispositifs nanophotoniques en métal est que les métaux de ces dispositifs absorbent une partie de la lumière, limiter l'intensité lumineuse globale. Ici, les chercheurs ont proposé d'utiliser des structures diélectriques plutôt que métalliques, et décrit trois agencements différents pour obtenir une grande amélioration de la lumière :des guides d'ondes diélectriques, réseaux de particules diélectriques, et un hybride de ces deux structures. Dans chacun des trois arrangements proposés, les chercheurs montrent que, en supprimant les pertes par absorption, l'énergie lumineuse peut être accumulée dans des cavités résonantes pour créer des champs optiques extrêmement intenses.
"Les structures métalliques peuvent produire un niveau similaire d'amélioration via une excitation plasmonique localisée, mais seulement sur des volumes limités étendus à quelques nanomètres de diamètre, » a déclaré le coauteur Javier García de Abajo du CSIC PhysOrg.com . « En revanche, notre travail implique une énorme mise en valeur sur de gros volumes, faisant ainsi une utilisation optimale de l'énergie lumineuse fournie pour les applications de biodétection étendues et l'optique non linéaire. Dans les structures métalliques, l'absorption peut être un problème en raison des dommages matériels potentiels et parce qu'elle réduit l'énergie optique disponible dans la région d'amélioration. Ce type de problème est absent de nos structures diélectriques.
« On pourrait obtenir une grande amélioration de l'intensité lumineuse simplement en l'accumulant à partir de plusieurs sources (par exemple, en plaçant les extrémités de nombreuses fibres optiques à proximité d'un point commun dans l'espace, ou en collectant la lumière provenant de nombreux miroirs à grande échelle). Mais cela ressemble à un gaspillage d'énergie optique juste pour avoir un effet d'amélioration dans une petite région de l'espace. Cependant, c'est essentiellement ce que font les structures métalliques pour concentrer la lumière dans les points chauds optiques à l'aide de plasmons. En revanche, nos structures ne concentrent pas la lumière dans de minuscules espaces :elles l'amplifient sur de grands volumes, et cela a des applications importantes. Cette amplification se fait grâce à l'utilisation d'ondes optiques évanescentes et amplificatrices, qui ne transportent pas d'énergie, mais peut l'accumuler.
Bien qu'il n'y ait théoriquement pas de limite supérieure à l'augmentation d'intensité que ces structures peuvent atteindre, les imperfections de fabrication limitent le rehaussement à environ 100, 000 fois celle de l'intensité lumineuse incidente. Dans une démonstration de principe de l'agencement de guide d'ondes diélectrique, les chercheurs ont montré une amélioration de l'intensité lumineuse d'un facteur 100. Les chercheurs prédisent que cette amélioration modérée devrait être facilement améliorée en réduisant la rugosité de l'interface grâce à une fabrication plus soignée, et travaillent actuellement sur des expériences pour démontrer une plus grande amélioration de la lumière.
Comme l'expliquent les chercheurs, une partie du « Saint Graal » de la conception de nanodispositifs pour des applications optiques est la capacité de contrôler l'amélioration de la lumière, ainsi que le confinement de la lumière et le guidage de la lumière sous-longueur d'onde. En démontrant la possibilité d'atteindre une intensité lumineuse extrêmement importante dans de grands volumes, les chercheurs ont ouvert de nouvelles possibilités dans de nombreuses applications de la nanophotonique. Par exemple, des composants nanophotoniques ont déjà été utilisés pour produire du magnétisme artificiel, réfraction négative, dissimulation, et pour la biodétection.
« Certaines molécules sont produites dans notre corps préférentiellement lorsque nous souffrons de certaines maladies (par exemple, tumeurs, infections, etc.), », a déclaré García de Abajo. « La détection de ces molécules peut parfois être une tâche difficile, car ils sont rarement rencontrés dans des concentrations infimes. Un moyen pratique de détecter ces molécules, et dévoilant ainsi la maladie potentielle à laquelle ils sont associés, est de les éclairer et de voir comment ils diffusent ou absorbent la lumière (par exemple, comment la lumière de différentes couleurs est absorbée par ces molécules ou comment elles changent la couleur de la lumière). Par conséquent, il est important d'amplifier le signal optique que produisent ces molécules, afin que nous puissions y avoir accès même s'ils sont en très faible concentration. C'est précisément ce que font nos structures :elles amplifient la lumière sur de grands volumes, de sorte que si les molécules à détecter sont placées à l'intérieur de ces volumes, ils produiront plus facilement le signal optique noté (absorption, changement de couleur, etc.). Il s'agit donc d'un moyen pratique de détecter des maladies telles que le cancer.
« Dans une autre direction, l'amplification de la lumière est utile pour produire une réponse non linéaire à la lumière extérieure, et cela peut être directement appliqué pour traiter des informations codées sous forme de signaux optiques. C'est un objectif ambitieux qui est nécessaire pour fabriquer des ordinateurs optiques. De tels ordinateurs sont encore loin d'être accessibles, mais on s'attend à ce qu'ils produisent une augmentation considérable de la vitesse de calcul et de communication. Nos structures offrent une manière innovante d'utiliser la lumière dans des dispositifs de traitement de l'information.
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