Natuurkundige kijkt door ondoorzichtige materialen /1 reactie

Natuurkundige kijkt door ondoorzichtige materialen
  • door: Annemarie Zegers
    over: elektrotechniek, materiaal
    op: 6 februari 2008
  • Ondoorzichtige materialen zoals witte verf, eierschaal of menselijke huid maken invallend licht diffuus

  • Onderzoekers zijn erin geslaagd die diffusie juist te gebruiken voor het richten van licht

Ondoorzichtige materialen zoals witte verf, eierschaal of menselijke huid maken invallend licht diffuus. Diffuus licht heeft geen richting. Normaal gesproken is het daarom niet mogelijk om een lichtbundel door deze materialen heen te schijnen.

Interferentie

Onderzoekers van de Stichting FOM (Fundamenteel Onderzoek der Materie) en het Mesa+ instituut van de Universiteit Twente zijn er echter in geslaagd die diffusie juist te gebruiken voor het richten van licht. Met interferentie lieten ze ondoorzichtige objecten – zoals een eierschaal – een bundel licht doorlaten of zelfs licht focusseren.
Deze techniek is een stap op weg naar het bekijken van ondoorzichtig weefsel of het afzonderlijk belichten van diepliggende cellen. Hun resultaten verschenen in het toonaangevende vakblad Optics Letters.

Golffront

Licht is een golf. Als je een doorsnede neemt loodrecht op een bundel licht hebben alle punten op de doorsnede dezelfde fase. Zo’n vlak noemen we een golffront.
Als de lichtbundel op een ondoorzichtig materiaal zoals een eierschaal valt, verstrooit dit materiaal het licht. Het golffront raakt verstoord en al snel is de verstoring zo ernstig dat het licht diffuus geworden is: het heeft geen bepaalde richting en we kunnen het niet gebruiken om een afbeelding te maken. Wel zien we een diffuse lichte vlek als we bijvoorbeeld licht door een eierschaal of papier laten vallen.

Anti-verstrooiing

a. Witte materialen verstrooien een invallende lichtbundel. De structuur van het materiaal zorgt ervoor dat de lichtgolven een willekeurige wandeling maken door het materiaal. Als het licht uit het materiaal komt is het diffuus en heeft geen bepaalde richting. Wanneer laserlicht gebruikt wordt, ontstaat een volledig onvoorspelbaar interferentiepatroon.
b. Door het golffront exact te laten passen op het medium werkt het ondoorzichtige materiaal als een lens die zeer scherp licht focusseert.
c. Meting van doorgelaten licht in de situatie bij een vlak golffront. Het weinige licht vormt een wanordelijk spikkelpatroon.
d. Transmissie met een aangepast golffront. Licht wordt doorgelaten en gefocusseerd tot een punt dat duizend keer intenser is dan de gemiddelde diffuse achtergrond (het bereik van de kleurenschaal is vergroot om dit zeer intense focus nog te kunnen laten zien).

Als we ditzelfde experiment uitvoeren met laserlicht, ontstaat een onvoorspelbaar interferentiepatroon door de manier waarop de lasergolven op elkaar inwerken: er ontstaan plaatsen met een hogere intensiteit en met een lagere intensiteit. Laserlicht levert een scherp interferentiepatroon, ook wel spikkelpatroon genoemd, op omdat alle golven in de bundel dezelfde golflengte hebben. Dit maakt laserlicht bijzonder: ook na een paar honderd keer verstrooien is de fase van het licht nog goed gedefinieerd.

Sleutel en slot

De Twentse wetenschappers hebben deze informatie over de fase gebruikt om de golffronten die het materiaal verlaten glad te strijken en zo de verstoring op te heffen. Daarmee hebben zij in feite het verstrooiingsproces omgedraaid.

De wetenschappers stuurden de laserbundel eerst door een modulator. Met deze modulator konden zij heel nauwkeurig de bundel verstrooien. Vervolgens viel deze verstrooide bundel op een ondoorzichtig materiaal, dat de lichtbundel in tegengestelde richting verstrooide. Na honderden keren verstrooien ontstaat door interferentie een gefocusseerde laserbundel. De Twentenaren voerden het experiment uit met witte verf, een melktand, bloemblaadjes, en een eierschaal. Bij elk materiaal hoort een specifieke instelling van de modulator. Het golffront en het stukje materiaal passen dus bij elkaar als een sleutel en een slot.