Manier ontdekt om frequentie van lichtgolven te wijzigen

New Scientist komt met een artikel over een nieuwe revolutionaire manier om de frequenties van lichtstralen te veranderen. Tot nu toe konden lichtstralen alleen worden gemanipuleerd door er een lichtstraal vlak naast te plaatsen met een vermogen van vele megawatts. De nieuwe techniek, ontdekt door onderzoekers van de Massachusetts Institute of Technology, maakt gebruikt van een fotonisch kristal en bereikt daarmee een veel hogere efficiëntie. De controle over licht die ermee verkregen wordt, is volgens een expert schokkend.

Met fotonische kristallen, een reeks tegen elkaar geplaatste lagen van verschillende materialen, is het mogelijk licht met bepaalde frequenties door te laten en het overige licht te weerkaatsen. Wanneer nu schokgolven op het kristal losgelaten worden, veranderen de eigenschappen van het kristal en zal er samendrukking van het materiaal plaatsvinden. Bij een juiste samenstelling van het kristal zal het effect zijn dat inkomende lichtstralen bij de grens van de schokgolf heen en weer gekaatst worden, tussen een samengedrukt en een niet-samengedrukt deel. Omdat de schokgolf zich tijdens die weerkaatsingen blijft voortbewegen, vindt er steeds een Doppler-verschuiving van het licht plaats.

De lichtfrequentie wordt lager wanneer de schokgolf zich in dezelfde richting beweegt. Omgekeerd wordt de frequentie hoger bij een beweging in tegengestelde richting. Na duizenden reflecties, binnen een tijd van een tiende nanoseconde, zou zo een frequentieverandering kunnen optreden van bijvoorbeeld blauw naar rood. Op dit moment worden de eerste demonstraties voorbereid en die zullen niet zonder geweld verlopen: het afschieten van een kogel op het kristal moet de schokgolf veroorzaken. Het kristal zal daardoor kapot gaan, maar niet voordat de lichtstraal veranderd is. In de toekomst zal er gebruik worden gemaakt van geluidsgolven. De toepassingen van de nieuwe techniek zijn in ieder geval veelbelovend:

Besides making devices such as light bulbs and solar cells more efficient, the method would also help to keep optical telecommunications networks moving. At the moment, many light frequencies are bounced down optical fibres simultaneously. If a particular frequency is being used to capacity, then optical switches could shift light beams to a frequency where there is still capacity to spare.

Another benefit of pushing the frequency of light downwards would be the ability to make terahertz radiation. Terahertz rays, in the range between microwaves and infrared, hold great promise for medical imaging, as they are easier to focus and less damaging than X-rays. But they are not yet widely used as they have been too difficult to produce.

Reacties (62)

[Swinnio]

Is dit niet een mooie ontwikkeling voor nieuwe soorten processoren?

Een toepassing zou dan zoiets als nog meer lagen DVD's of zo?

Zou hier ook een toepassing zijn voor gegevensopslag?

Ik vraag me of dit een nieuwe basis kan worden voor processors?

Zou je hier met een heleboel kristallen een goedkopere/betere soort van schermen of beamers mee kunnen maken?

Kijk, dat is nu het nadeel van het posten van een dergelijk wetenschappelijk artikel op een site als Tweakers. Hier denkt iedereen blijkbaar alleen maar aan zijn eigen PC'tje en hoe die nog sneller en beter kan worden. Helaas mensen, het grootste deel van de wetenschap interesseert zich daar helemaal niet voor en probeert op hele andere gebieden doorbraken te bereiken.
Ik sluit niet uit dat deze "doorbraak"(?) op de lange termijn invloed heeft op de PC-wereld, maar voorlopig zijn jullie de enige die in die richting denken.
En in het originele artikel staan nota bene de belangrijkste en interessantste toepassingsgebieden al genoemd. Zo kan het m.b.v. deze techniek mogelijk zijn de energie die een gloeilamp gebruikt in zijn geheel in zichtbaar licht om te zetten, waar nu een groot deel van de energie wordt omgezet in niet-zichtbare straling. Dat heeft een enorme toename in efficientie tot gevolg.
Of het gebruik in optische switches, waardoor deze efficienter en goedkoper kunnen worden geproduceerd. En die worden lang niet alleen voor snelle Internet-toegang gebruikt, hoor.
Of het gebruik in de medische wereld, waardoor men veel duidelijkere scans van personen kan maken en niet zoveel voorzorgsmaatregelen hoeft te nemen als met Rontgen het geval is.
En zo kan ik nog wel even doorgaan, maar ik hoop dat mijn punt inmiddels een beetje duidelijk is

/edit: lckarssen: wetenschap hoeft niet per se een praktische toepassing te hebben om nuttig te zijn.

[lckarssen]

Dit is in elk geval een stukje wetenschap waar binnen afzienbare tijd nog een zogenaamde "praktische toepassing" voor is. Dat kan ik op dit moment van mijn eigen onderzoek niet zeggen .

En een optische switch is voor een tweaker toch behoorlijk interessant, lijkt me. Maar goed, voorlopig zijn ze er nog niet, en zeker niet in massaproductie

[lckarssen]

/edit: lckarssen: wetenschap hoeft niet per se een praktische toepassing te hebben om nuttig te zijn

Gelukkig niet, anders kon ik mijn baan nu vaarwel zeggen

[Verwijderd]

hoe groot zijn die kristallen? Zou je hier met een heleboel kristallen een goedkopere/betere soort van schermen of beamers mee kunnen maken?
of liever gezegd zou je hiermee zoals laserprojectoren afbeeldingen mee kunnen projecteren maar dan met miljoenen kleuren?

[lckarssen]

De kristallen die wij hier in Utrecht gebruiken bij dit soort onderzoek zijn nog fatsoenlijk met je vingers vast te pakken, dus in een beelscherm zullen ze voorlopig nog niet zitten.

Wat betreft de toepassingen van fotonische kristallen, de optische switch is denk ik het eerste apparaat dat met deze techniek gerealiseerd kan worden. andere toepassingen ligger verder in de toekomst.

[Floor]

Ik vraag me of dit een nieuwe basis kan worden voor processors? Ik kan zo het HOE nog niet bedenken maar als men controlle krijgt over licht met redelijke snelheid (in licht termen slakkengang) wil ik het niet uitsluiten.

Ik heb zo'n vermoeden dat dit een flinke doorbraak is....

[killswitch]

ik weet niet of dit haalbaar is
maar als je nu volgens een bepaalde sleutel continu de frequentie van het licht zou veranderen en de ontvanger zou diezelfde sleutel gebruiken om weer te decoderen zou dit dan niet als data beveiliging gebruikt kunnen worden?

moet je natuurlijk wel synchrone communicatie hebben.

[0rbit]

Het veranderen van de frequentie van het licht (moduleren) met een frequentie uit het audiogebied levert niet niet echt denderende bandbreedtes op als je hetzelfde met radiogolven ook al kunt.

[Verwijderd]

Ik denk niet dat deze ontdekking van belang is voor dat soort toepassingen of situaties, situaties waar je al de beschikking over iedere kleur licht naar keuze. Voor jouw idee kan je gewoon een wit lampje pakken met wat kleurfiltertjes.
Deze ontdekking heb je denk ik meer aan in situaties waar je weinig keuze hebt in het soort licht of je hebt een freq nodig die je nu nog niet kan maken.
Bijvoorbeeld bij zonnecellen en zonlicht. Ik kan me voorstellen dat zonnecellen efficienter zijn bij bepaalde kleuren licht. Stel ze leveren meer vermogen bij bijvoorbeeld blauw. Met een laag van deze kristallen over het zonnepaneel kan je dan bv. de kleur rood uit het witte daglicht omzetten naar blauw, waardoor je dus 2x meer blauw licht op je paneel krijgt en dus meer vermogen.

[Guru Evi]

Krijg je hetzelfde probleem als het kraken van sleutels nu als je het patroon opvangt/krijgt/weet of een nulpatroon hebt heb je weer pech. Ik denk eerder dataverbindingen.

[ArnoudJ]

Je kunt het licht makkelijk in verschillende golflengtes ontleden en opvangen. Daarna kun je weer zo'n zelfde signaal maken waardoor de zender en ontvangen niet door hebben dat ze afgeluisterd worden. En vervolgens kun je alle informatie digitaliseren en net zo makkelijk/moeilijk kraken als een ander algoritme. Ik zie dus niet echt toegevoegde waarde voor versleuteling van gegevens.

[Verwijderd]

Een toepassing zou dan zoiets als nog meer lagen DVD's of zo?
Of wat is het economisch nut ervan? Iemand enig idee?

[tweakerbee]

De optische switches welke het licht kunnen verschuiven naar een frequentie die nog vrij is lijkt mij al genoeg reden voor een tweakertje om deze uitvinding te omhelzen.
Daarnaast zou het voor de medische wereld handig zijn als ze makkelijk met de "TeraHerz" golven konden werken. Diagnostiseren zou een stuk makkelijker worden, en het is minder schadelijk dan rontgenstraling.

[ugo]

Los van wat het economisch nut hiervan zou kunnen zijn is dit feit op zich al een zeer belangrijke ontdekking! Niet vergeten dat men vandaag nog lang niet alles weet wat licht betreft! Er is zelfs nog steeds niemand in geslaagd om een sluitende definitie te geven van wat licht juist is!
Maar dit zou kunnen leiden tot een hele waaier van economische toepassingen, het is moeilijk te zeggen op dit moment op welke vlakken allemaal, maar geloof me, het potentieel is enorm!

[Raafz0r]

Zeg dan helemaal niks. Hoe zouden lampen nou weer spaarzamer moeten worden door de frequentie van het licht te wijzigen?

En door de frequentie van licht te wijzigen wordt het een wapen?

Lijkt me allemaal niet.
Misschien dat dit van pas kan komen in optische computers, of wellicht bij glasfiber netwerkproducten

[Verwijderd]

Een gloeilamp straalt nogal wat energie uit in het IR en UV spectrum. Daar zie je niets van, dus is het verlies. Met deze filters zou je alle energie binnen het zichtbare spectrum kunnen trekken. Daarmee heb je minder verlies, dus een hoger rendement.
Overigens worden de benodigde schokgolven in het kristal op dit moment nog gecreëerd door er een kogel op af te schieten, dus practisch toepasbaar is het allemaal nog niet.

[n-i-x]

Wat dacht je van platte schermen?
TFT's doen dat nu nog Met subpixels opgebouwd uit een 'demper'(het vloeibare kristal) en een (vaste)kleurfilter, die altijd 2 van de 3 kleuren tegenhoud.
de 3e kleur wordt vaak ook gedeeltelijk tegenhouden door dat vloeibare kristal

Hiermee kan je een bepaalde kleur licht omzetten in de kleur die je nodig hebt, en met een 'demper' de helderheid regelen.
Zo hoef je een minder sterke(goedkopere en zuinigere) achtergrondverlichting te hebben.

[_Thanatos_]

Daarmee heb je minder verlies, dus een hoger rendement.

Rendement bij een gloeilamp? lamenielache.
99% van de energie die je in een gloeilamp stopt, wordt in warmte omgezet, slechts 1% is licht. (vroeger bij natuurkunde gehoord)

Als het om lampen gaat, moeten ze maar es hun hoofd gaan breken over hoe "koud licht" te maken, net zoals vele diepzeedieren dat doen.

[tweakerbee]

Hoe betrek jij laser hierbij? Ik zie geen methode hoe ze een laser krachtiger kunnen maken hierbij. Hooguit de frequentie veranderen, maar of dat veel nut heeft

[KatirZan]

Als je een straal uit kan splitsen in verschillende kleuren dan is het dus mogenlijk om een betere laserstraal te veroorzaken.
Pak dus de "scherpste" lichtbundel

[Verwijderd]

Excusus als ik nu bot overkom, maar als je van een onderwerp echt HELEMAAL niets afweet, probeer dan ook geen puntjes bij elkaar te verzinnen.

KatirZan, tft: Lasers zijn veelal monochromatisch, polychromartische lasers zijn speciaal gemaakte uitzonderingen, dus splitsen in verschillende kleuren is onzinnig (en om licht te splitsen gebruiken ze al eeuwen een prisma, werkt perfect). Verder als je schokgolven door een kristal gaat gebruiken om de frequentie te wijzigen zal iedere onnaukeurigheid in het kristalrooster de scherpte niet ten goede komen. Ook kun je er alleen energie aan verliezen, dus als wapen kun je beter de orginele laserstraal gebruiken.

Laserlicht van frequentie te laten veranderen kan zeker heel nuttig zijn! Ondermeer voor gebruik bij spectraal analyse, bijvoorbeeld voor snelle detectoren van gevaarlijke gassen. Er bestaal al lang dye lasers waarbij de frequentie ingesteld kan worden, echter deze zijn nogal groot zodat er geen handzaam en goedkoop apparaatje mee gemaakt kan worden.
Al moet deze nieuwe methode wel eerst voor meer subtiele schokgolven verfijnd worden.

[n-i-x]

dan kunnen ze mischien wel een scherpere straal maken.

[Pe Nis]

Volgens mij is het Doppler effect hierboven verkeerd beschreven (ik ga uit van getransmiteerde lichtgolven). De frequentieverschuiving wordt gegeven door het inproduct van de k- en v- verctor, met een minteken ervoor. In geval van gelijkgerichte k en v neemt de frequentie (omega [rad/s]) af (roodverschuiving) Bij tegengestelde k en v vectoren praten wij van blauwverschuiving.

[Swinnio]

Bedankt voor deze onbegrijpbare uitleg, maar je had ook gewoon in het originele artikel kunnen kijken om te zien dat de poster inderdaad het Doppler-effect verkeerd heeft uitgelegd. New Scientist zegt:

Because the shock wave is moving through the crystal, the light gets Doppler shifted each time it bounces off it. If the shock wave is travelling in the opposite direction to the light, the light¹s frequency will get higher with each bounce, while if it travelling in the same direction, the frequency drops.

/edit: feestje: 500e post

[T.T.]

Ik vind dit niet echt een heldere uitleg aangezien je niet zegt wat de k- en v-vector voorstellen...
Jouw uitleg is alleen begrijpbaar voor mensen die de berekening al snappen en die hebben dus niets aan jouw uitleg

[Verwijderd]

Besides making devices such as light bulbs and solar cells more efficient

Ik vond de spaarlamp al een enorme verbetering ten opzichte van de "ordinaire" light bulb.

Wat de solar cells betreft hoop ik dat ze kleiner worden en alsnog meer energie kunnen absorberen, want ik ben milieu vriendelijk

[Swinnio]

Maar een spaarlamp heeft nog steeds hetzelfde nadeel als een traditionele lamp: hij zet zijn energie in een veel groter frequentiegebied dan het zichtbare licht uit. Daardoor wordt niet alle energie die erin wordt gestopt, omgezet in zichtbaar licht. Met deze ontwikkeling is het wellicht mogelijk dit wel te doen, waardoor er veel minder energie nodig is om dezelfde lichtopbrengst te bereiken.

/edit: eerlijk gezegd lijkt me mijn theorie veel interessanter dan de mogelijkheid discolampen goedkoper te maken, maar dat kan ook aan mij liggen

[Verwijderd]

Maar een spaarlamp heeft nog steeds hetzelfde nadeel als een traditionele lamp: hij zet zijn energie in een veel groter frequentiegebied dan het zichtbare licht uit.

En daarvoor heeft men nu fosforen uitgevonden... (hoewel ook die natuurlijk geen rendement van 100% hebben)

[NBK]

En wat te denken van disco verlichting die van kleur veranderd op de maat van de muziek zonder daarvoor dure apparatuur te hoeven kopen...

[MisterData]

Ooit van RGB-leds gehoord? Dat zijn ledjes die je iedere denkbare kleur kunt geven

[Wolfboy]

die geven alleen nog niet genoeg licht om een hele disco mee te verlichten maar het is zeker een goed begin ja
helaas zijn die dingen alleen veel te duur, een gewone 100 wat lamp met een filtertje ervoor is vele malen goedkoper.

[ATS]

Ik weet niet hoor... maar ik denk niet dat dit systeem goedkoper gaat worden dan wat er nu gebruikt wordt in discotheken... Een setje filters in een scan is stukken eenvoudiger dan de hier beschreven techniek.

[THC]

Zou je ook door de frequentie van schadelijke straling zoals gamma en rontchen, te veranderen iets aan die straling kunnen doen. Bijvoorbeeld een kernafval opslag met die kristallen kunnen maken? Iemand een idee?

[lckarssen]

Leuk idee! Maar ik denk niet dat dat er in zit. Gamma en rontgenstraling hebben een veel kortere golflengte dan licht. Dat scheelt een factor van ongeveer een miljoen. Dus de interne structuur van een kristal zou dan ook behoorlijk moeten veranderen, en dat is volgens mij niet mogelijk.

[RetepV]

Nou, ik zie anders nog geen enkele aanwijzing dat het niet mogelijk zou zijn. Zo lang niet bewezen is dat het onmogelijk is, is het dus mogelijk .

Misschien heb je kristallen van een paar meter dik nodig, maar dat moet toch geen probleem zijn.

In de ruimte (geen zwaartekracht) kunnen ze al heel precies kristallen laten groeien, met een vrijwel perfect rooster. Ik voorzie binnen 20 jaar nog wel een kristalfabriek in de ruimte.

Misschien hebben ze nog programmeurs nodig, dan kan ik nog eens in de ruimte terechtkomen .

[Verwijderd]

Programmeurs?? Weet je dan nog wel in welke programmeertaal je bezig bent, met die rare schokgolven? Stel je voor zeg: in één klap van

Acoustic Basic

via

Visual C++

in

3D

naar

Cosmic Java

! Nou ja, misschien kan ik gewoon de juiste golflengte niet vinden.

[Verwijderd]

Zou hier ook een toepassing zijn voor gegevensopslag?
Lichtsignalen sturen, en ontvangen.. heb er geen voorstelling van hoe dat technisch zou kunnen werken maar heb al wel vaker wat gelezen over gegevensopslag in kristallen en mbv lichtsignalen data ophalen... Misschien dat dit weer een compleet nieuwe kijk op de zaak kan leveren. Lijkt me interessant. Om de snelheid hoef je het zeker niet te laten.

[Verwijderd]

Ik denk ook dat we in die richting moeten gaan denken. Gegevensopslag, Datatransmissie, etc... Veel "raar" ontdekkingen worden pas later efficient toegepast. Ik denk hier aan de laser bv, waar eerst geen toepassing voor was, en nu vind je het in bijna alle domeinen van de wetenschap. Leuk toch. Ik heb een beetje zitten denken wat het nut hiervan zou kunnen zijn om de frequentie van licht te wijzigen. Een iets wat ik nu kan verzinnen is bv het licht zelf als lens te gaan gebruiken. Gezien de golflengte van hoogfrequent licht kan dit naar omlaag gebracht worden waardoor een lenseffect kan gecreerd worden. En omgekeerd natuurlijk dan ook. Dit kan interessant zijn om bv data in XUV te gaan opslaan maar uit te lezen in de UV band bv (en visaversa) Als dit gecombineerd wordt met cogerent licht (laser) denk ik wel dat daar een toepassing in zit.

Ik stel mij wel een vraag waar ik geen antwoord op weet. Iemand enig idee hoe staande golven zich zouden manifesteren in die kristallen? Kan men stellen dat die even destruktief zouden zijn als laagspectrum?

[aswelter]

Dus, bij achter een "glas" plaat staat iemand met, zeg, een zwarte jas. Na aansturing van de kristalen is zijn jas blauw. Als je de kristalen op extreem nivo aanstuurt en weet hebt van wat er achter de persoon aanwezig is kun je hem zelfs onzichtbaar maken?

[jvo]

Hahaha, (no flame intended) je hebt een levendige fantasie. Je geeft een beetje een rot voorbeeld met die jas die van zwart naar blauw gaat. Gezien zwart inhoudt dat er geen licht wordt gezonden. Dat blijft dus zwart. En onzichtbaar maken als je weet wat er achter staat? Dat noemen we fotobewerking.

Wat wel zou kunnen in de lijn van jouw voorbeeld is het infrarode spectrum verschuiven naar het zichtbare spectrum en zo dus een temperatuurscan direct zichtbaar maken op de plaat. Lijkt me geen gekke toepassing trouwens...

edit:
Ik zie dat donar onder me die toepassing al bedacht had...