В революционном исследовании, опубликованном в OSA Continuum, группа ученых под руководством профессора Эйдзи Токунага из Токийского научного университета, в которую вошли Дайсуке Хаяма, Кейсуке Сето, Кёхей Ямасита, Шунпей Юкита (все Токийский университет науки) и Такаёси Кобаяси (The University of Electro-Communications и National Chiao-Tung University) пролили свет на механизм эффекта Поккельса в новом типе модулятора света. До недавнего времени этот эффект наблюдался только в кристаллах особого типа, которые дороги и, следовательно, трудны в использовании. Двенадцать лет назад профессор Токунага и его команда впервые наблюдали этот эффект в верхнем слое (также называемом межфазным слоем) воды – то, что не наблюдается в основной массе воды – при контакте с водой. с электродом, показывая проблеск надежды для ученых, пытающихся создать простые оптические устройства.
Хотя коэффициент Поккельса (мера эффекта Поккельса) был на порядок больше, оказалось, что, поскольку этот эффект генерировался только в тонком межфазном слое, для этого требовался высокочувствительный детектор. Более того, даже его механизм не был четко понят, что еще больше усложнило процесс. Профессор Токунага и его команда хотели найти решение, и после многих проб и ошибок им наконец удалось.
Обсуждая мотивацию своего исследования, профессор Токунага говорит: «Электрооптический сигнал трудно измерить, используя воду в качестве среды, потому что он возникает только в тонком слое. Поэтому мы хотели найти способ извлечения сильного сигнала из среды, который не требовал бы высокочувствительных измерений и был бы более простым в использовании."
Для этого ученые создали установку с прозрачным электродом на стеклянной поверхности в воде, к которой прикладывалось электрическое поле. Межфазный слой (также называемый двойным электрическим слоем или EDL) имеет толщину всего несколько нанометров и показывает другие электрохимические свойства, чем остальная вода.
Это также единственная часть воды, где эффект Поккельса можно наблюдать в электрическом поле. Ученые использовали концепцию полного отражения, чтобы создать большой угол на границе раздела между водой и электродом.
Они заметили, что когда свет проходит через электрод и попадает в EDL, изменения показателя преломления обоих слоев могут изменять отраженный сигнал. Поскольку показатель преломления у прозрачного электрода больше, чем у воды и стекла (1.33 и 1.52, соответственно), количество света, отраженного с обоих концов, увеличивается, тем самым вызывая более усиленный эффект Поккельса. Это было важно, потому что большой, более сильный сигнал означал бы, что для его измерения можно было бы использовать даже устройства с низкой чувствительностью. Более того, поскольку экспериментальная установка не сложна и состоит только из прозрачного электрода, погруженного в воду, содержащую электролиты, этот метод намного проще в использовании.
Не говоря уже о том, что вода – недорогой носитель, что в целом обеспечивает низкую стоимость процесса. Разрабатывая эти выводы, профессор Токунага говорит: «С помощью нашей методики мы наблюдали модуляцию света с максимальным изменением интенсивности на 50%, пропорциональным приложенному напряжению переменного тока."
Воодушевленные этими наблюдениями, профессор Токунага и его команда захотели проверить эти результаты с помощью математических расчетов. Они были удивлены, обнаружив, что теоретические расчеты совпадают с экспериментальными результатами.
Более того, они заметили, что теоретически может быть достигнута 100% -ная модуляция интенсивности света, что было захватывающе, потому что это подтвердило их выводы. Профессор Токунага говорит: «Результаты были удивительными, но еще более удивительными, когда наш теоретический анализ показал, что они могут быть прекрасно объяснены существующими оптическими знаниями.Ученые также говорят: «Результаты этого исследования не только применимы к уникальным элементам модуляции света и интерфейсным датчикам, использующим воду, но и обнаруженный принцип улучшения открывает возможность использования любого интерфейса, который существует повсеместно."
Этот новый метод модуляции света служит лучшей альтернативой существующим, особенно благодаря таким преимуществам, как низкая стоимость и более простое обнаружение. Мало того, профессор Токунага и его команда считают, что, открывая новые механизмы модуляции света, их исследование откроет двери для более продвинутых исследований в этой области.
В заключение профессор Токунага сказал: «Наша уникальная технология модуляции света беспрецедентна и имеет множество возможных применений, потому что она показывает общий способ извлечения большого сигнала Поккельса из универсально существующего интерфейса. Кроме того, мы надеемся, что наше исследование породит новую область исследований в оптике, тем самым произведя революцию в этой области."