Zie Nieuws

Licht verstrooien met 'gecontroleerde willekeur'

Welke weg legt licht precies af in een sterk verstrooiend materiaal zoals witte verf? Door de willekeurige ordening van deeltjes in de verf, is dit onmogelijk na te gaan. Dit blijkt tegelijk een aantrekkelijke eigenschap te zijn, voor bijvoorbeeld de toepassing van fotonica in informatiebeveiliging. Toch zou je wel eens binnenin zo’n willekeurige structuur willen kijken. Onderzoekers van de Universiteit Twente (MESA+ Instituut) hebben daarom, met precisie 3D printing, een lichtverstrooier op microschaal gebouwd die random is maar toch gecontroleerd. Dat klinkt tegenstijdig, maar je weet precies hoe het er van binnen uit ziet. Zij publiceren erover in Advanced Optical Materials.

Dat licht zodanig is te manipuleren dat het zelfs door een sterk verstrooiend medium een weg naar buiten vindt, is door UT-onderzoekers eerder aangetoond. Behalve tot een onkraakbare creditcard, kan dit ook leiden tot nieuwe medische imaging technieken. We weten dus hoe het licht op het materiaal valt, we weten ook wat er ‘aan de achterkant’ doorheen komt. Maar de route in het materiaal is de grote onbekende. Draai dat nu eens om, dachten de onderzoekers, maak zelf een structuur die je wél kent en die tegelijk een willekeurig karakter heeft. In de praktijk: maak een kubusje waar honderden nanostaafjes doorheen lopen. Ogenschijnlijk schots en scheef, maar je weet wél precies wat je hebt gedaan. En dus weet je ook waar het verstrooide licht zich bevindt.

TURKS SUIKERGOED op microschaal

De onderzoekers hebben dit gedaan met precisie 3D-printing die Direct Laser Writing heet, een techniek die beschikbaar is in het MESA+ NanoLab van de UT. De staafjes zijn met een laser te schrijven in een speciale gel, ze harden uit en vervolgens kan de tussenruimte worden weggespoeld. Wat overblijft is een sponsachtig kubusje, van bijvoorbeeld 15 bij 15 bij 15 micrometer, dat iets weg heeft van het Turkse pismanye snoepgoed van gesponnen suiker. Het aantal staafjes is gevarieerd tussen 400 en 2000. Met daarbij de vraag: hoeveel van het invallend licht komt waar weer naar buiten, en wat is de invloed van het aantal staafjes? Hoe kleiner het aantal, hoe meer licht recht door de structuur heen gaat. Meer verstrooiing geeft juist meer licht dat ergens anders naar buiten komt.

In hun eerdere publicatie lieten de UT-onderzoekers al, gebruikmakend van een klassieke wiskundige paradox, zien hoe je ervoor kan zorgen dat de staafjes homogeen zijn verdeeld over het kubusvolume. Dat is meteen ook een uitdaging voor de technologie: als het er aan de buitenkant netjes uitziet, kan er nog steeds in het centrum een klompje uitgeharde polymeer aanwezig zijn dat het random karakter teniet doet. Beelden van een speciale röntgenmicroscoop in Grenoble toonden echter aan dat de kubus over het hele volume keurige staafjes bevat.

Het onderzoek geeft meer inzicht in de verstrooiing van licht in random materialen. Zo zijn de randvoorwaarden nog beter in te vullen, bijvoorbeeld voor toepassingen in security of in imaging technieken. Ook toepassing in LED-licht met speciale eigenschappen behoort volgens onderzoeksleider Pepijn Pinkse tot de mogelijkheden.

Het onderzoek is uitgevoerd in de groep Complex Photonic Systems, onderdeel van het MESA+ Instituut van de UT. 

Het paper Deterministic and Controllable Photonic Scattering Media via Direct Laser Writingdoor Evangelos Marakis, Ravitej Uppu, Maryna Meretska, Klaas-Jan Gorter, Willem Vos en Pepijn Pinkse, is gepubliceerd in Advanced Optical Materials.

ir. W.R. van der Veen (Wiebe)
Persvoorlichter (aanwezig ma-vr)