Tre rappresentazioni del raggio "pulsante dell'ago", mostrando come i fronti d'onda circolari collassino in una sottile distribuzione di potenza aghiforme senza lobi laterali. Credito:Kevin Parker/Miguel Alonso
Un nuovo schema del fascio ideato dai ricercatori dell'Università di Rochester potrebbe portare una nitidezza senza precedenti alle immagini a ultrasuoni e radar, bruciare fori precisi nei materiali fabbricati su scala nanometrica, persino incidere nuove proprietà sulle loro superfici.
Questi sono solo alcuni degli elementi sull'"albero di Natale" di possibili applicazioni per il modello di trave che Miguel Alonso, professore di ottica, e Kevin Parker, il William F. May Professor di Ingegneria, descrivere in un recente articolo in Ottica Express .
Il modello risulta da quella che Parker chiama "una soluzione matematica analiticamente bella" ideata da Alonso. Fa collassare verso l'interno un'onda luminosa o sonora, formando, durante un nanosecondo o meno, un incredibilmente sottile, raggio intenso prima che l'onda si espanda nuovamente verso l'esterno.
"Tutta l'energia si incastra nel tempo e nello spazio, quindi si unisce - BAM! - come un crescendo, "dice Parker, battendo esplosivamente le mani per dare enfasi. "Si può fare con un'onda di luce ottica, con ultrasuoni, radar, sonar, funzionerà per tutti loro."
La maggior parte dei modelli di raggio tradizionali mantiene una forma persistente finché la sorgente è in funzione. Però, non sono così intensi come il raggio creato da Parker e Alonso, che i ricercatori chiamano "fascio di impulsi dell'ago". "È molto localizzato, senza estensioni o lobi laterali che porterebbero via energia dal fascio principale, "dice Alonso.
lobi laterali, irradiando un raggio come gli aloni che a volte si vedono intorno a un faro di un'auto, sono particolarmente problematici negli ultrasuoni. "I lobi laterali sono il nemico, " Dice Alonso. "Vuoi dirigere tutta la tua onda ultrasonica verso l'unica cosa che vuoi visualizzare, allora, qualunque cosa si rifletterà ti dirà di quella cosa. Se stai riscontrando una diffusione delle onde anche altrove, offusca l'immagine."
Perché è incredibilmente stretto, il nuovo raggio "rende possibile risolvere le cose con risoluzioni squisite, dove devi separare piccole cose che sono vicine tra loro, "Parker dice, aggiungendo che il fascio potrebbe avere applicazioni non solo per gli ultrasuoni, ma microscopia, radar, e sonar.
Una rappresentazione del raggio dell'impulso dell'ago, mostrando come i fronti d'onda circolari collassino in una sottile distribuzione di potenza aghiforme senza lobi laterali. Credito:Università di Rochester
Secondo Alonso, le applicazioni industriali potrebbero includere qualsiasi forma di lavorazione dei materiali laser che implichi l'immissione di quanta più luce possibile su una determinata linea.
L'idea per il fascio di impulsi ad ago è nata con Parker, un esperto di ultrasuoni, che per ispirazione esamina spesso le funzioni matematiche di un secolo o più fa nei "testi antichi".
"Potevo vedere una forma generale della soluzione, ma non riuscivo a superare l'equazione, " dice "Così sono andato dalla persona (Alonso) che considero il massimo esperto mondiale di teoria ottica e matematica."
Hanno inventato varie espressioni che erano "matematicamente corrette, "Dice Alonso, ma corrispondeva a travi che richiedevano una quantità infinita di energia. La soluzione - "un particolare trucco matematico" che potrebbe essere applicato a un raggio con energia finita - gli è arrivata mentre nuotava con sua moglie nel lago Ontario.
"Molte delle idee che ho non accadono alla mia scrivania, " Dice Alonso. " Succede mentre vado in bicicletta, o sotto la doccia, o nuotare, o fare qualcos'altro, lontano da tutte le scartoffie."
Parker afferma che questa scoperta continua una ricerca internazionale iniziata presso l'Università di Rochester. Nel 1986, di fronte allo scetticismo mondiale, un team universitario che includeva Joseph Eberly, il professore di fisica Andrew Carnegie e professore di ottica, offerto la prova di un nuovo inaspettato, forma di luce priva di diffrazione. Il cosiddetto raggio di Bessel è ora ampiamente utilizzato.
Leggi lo studio del 1986, "Fasci privi di diffrazione"
"Sono passati decenni da quando qualcuno ha formulato un nuovo tipo di trave, " dice Parker. "Allora, non appena fu annunciato il raggio di Bessel, la gente pensava che potrebbero esserci altre nuove travi là fuori. La gara era iniziata.
"Trovare un nuovo modello di raggio è come trovare un nuovo elemento. Non succede molto spesso."
