Touchskærme til smartphones og tablets kan få helt nye anvendelser, hvis man indbygger optiske bølgeledere under overfladen.
En canadisk forskningsgruppe har i samarbejde med en forsker fra glasproducenten Corning i USA vist, hvordan det er muligt at fremstille sådanne optiske bølgeledere med lave tab på en hurtig og effektiv måde med anvendelse af femtosekundlasere.
De har specielt undersøgt Cornings Gorilla Glass, der anvendes i en lang række smartphones og mobile enheder, da glasset er meget holdbart og modstandsdygtigt over for ridser.
De har i første omgang benyttet teknikken til at fremstille en temperatursensor, som kan indbygges direkte i glasset, og en ny form for optisk autentifikation, der er unik for den mobile enhed.
Teknikken er beskrevet i en videnskabelig artikel i Optics Express.
En af artiklens forfattere, Raman Kashyap fra Polytechnique Montreal, udtaler i en pressemeddelelse udsendt af Optical Society of America, at nu hvor forskerne har præsenteret metoden, er det op til andre at finde anvendelser for den.
Sådan laves bølgelederen
En bølgeleder som eksempelvis en optisk fiber holder sammen på lyset ved at have en kerne med et højere brydningsindeks end det omgivende materiale kaldet kappen.
I et transparent materiale kan der ske en ikke-lineær absorption, når lysintensiteten er omkring 10^13 watt pr. kvadratcentimeter. For en laserpuls med en varighed af 100 femtosekunder svarer det til en energi på en joule pr. kvadratcentimeter.
Ved denne energitæthed sker der også en ændring af brydningsindeks i det belyste materiale, hvorved den ønskede bølgeleder kan dannes.
Denne form for laserskrivning har været kendt siden midten af 1990’erne, men tabene i de dannede bølgeledere har været forholdsvis høje – omkring 0,1 – 0,2 dB/cm.
Kashyap og Co. har nu i Corning Gorilla Glass opnået et fremstille en bølgeleder, der ligger 150 mikrometer under overfladen, med et tab på kun 0,027 dB/cm.
Bølgelederen har et ovalt tværsnit og har et indre område på 13 x 44 mikrometer og et ydre område på 50 x 67 mikrometer.
De har benyttet en laser med en effekt på 600 mW med en pulslængde på 300 fs og en repetitionsfrekvens på 600 Hz og fokuseret laserstrålen med en linse for at opnå den krævede energitæthed.
Det vil være muligt at fremstille en cirkulær bølgeleder, hvis man ønsker det, ved at bruge en cylindrisk linse til at fokusere laserstrålen, skriver forskerne.
Gorilla glas har højt stress
Forskerne skriver i deres artikel, at de formoder, at det indre område primært dannes på grund af det elektriske felt og det ydre område på grund af varme, der fjerner stress i glasset.
I denne form for bølgeleder kan fire forskellige bølgetyper udbrede sig. Forskerne har også lavet en singlemode bølgeleder med et tab på 0,053 dB/cm, som de mener er det laveste, der nogensinde er opnået.
Forskerne har spekuleret over, hvorfor tabene er så lave i Gorilla Glass i sammenligning med de resultater, som andre har opnået i andre glastyper. De er kommet frem til, at det formodentligt hænger sammen med det høje interne stress, findes i Gorilla Glass.
Når varmen lokalt fjerner dette stress, dannes et område med lavt brydningsindeks uden om bølgelederen, som er med til at forbedre egenskaberne af bølgelederen.
Temperatursensor
Med teknikken har forskerne fremstillet en temperatursensor, der er baseret på et såkaldt Mach-Zender interferometer, der har to grene for lyset.
Når lys sendes ind i interferometret fordeler det sig i de to grene. Når de to grene mødes igen, opstår der interferens mellem de to signaler, og det påvirker intensiteten af udgangssignalet.
Interferensen påvirkes af forskellen i den optiske vejlængde (som er brydningsindeks gange den fysiske vejlængde) i de to grene.
På grund af den termiske udvidelseskoefficient af Gorilla Glass på 9,1 x 10^-6 pr. grad Celsius vil interferensen derfor også afhænge af temperaturen.
Unik identifikation af smartphone med infrarødt lys
Forskerne har også vist, at det er muligt at lave en unik optisk identifikation af af mobil enhed ved at lave bølgeledere med små huller, hvor lyset kan strømme ud.
Det kan give et unik fingeraftryk for den enkelte enhed, som eksempelvis kan læses med en infrarød detektor.
Det kan være en ekstra form for sikkerhed f.eks. i forbindelse med pengeoverførsler med smartphones.
Raman Kashyap fortæller, at de to systemer potentielt kan videreudvikles til kommercielle anvendelser inden for et år.
Pressemeddelelsen fra Optical Society of America nævner også muligheden for at indbygge sensorer for blodsukker i smartphones og for at lave dna-analyser med den nye teknik. Det er dog ikke noget, som den videnskabelige artikel nævner, og det står ikke helt klart, hvordan det skal gøres.
Leave a Reply