In de ban van het licht

r.ir. Joseph Braat van TNW. Een rondgang langs enkele Delftse highlights uit het fotonica-onderzoek.

Onzichtbaar licht

Hoe astronomen hun best ook doen: het zicht van onze sterrenkijkers blijft beperkt. Dat komt doordat een conventionele telescoop kijkt naar zichtbaar licht (elektromagnetische straling met een golflengte van vierhonderd tot zevenhonderd nanometer, oftewel een kleur van violet tot rood), terwijl verreweg de meeste straling uit het heelal, zo’n 98 procent, een veel grotere golflengte heeft: zogenaamd ver-infrarood of terahertzstraling. De groep van prof.dr.ir. Teun Klapwijk (physics of nano-electronics, TNW) ontwikkelt detectoren waarmee astronomen ook dit deel van het elektromagnetisch spectrum kunnen waarnemen.

Daarmee kan men de samenstelling en de dichtheid nagaan van interstellaire gaswolken en pasgevormde sterren. Elk molecuul heeft namelijk een unieke ’terahertzvingerafdruk’ waarin bepaalde frequenties dominant zijn of juist ontbreken. “Pas nu wordt terahertzstraling herkend als technologie waarmee men wat kan”, vertelt Klapwijk. Dat heeft vooral te maken met de vlucht die de nanotechnologie de laatste jaren heeft doorgemaakt, legt hij uit. “Radiogolven en microgolven kunnen we met behulp van microchips goed verwerken, maar terahertzstraling heeft een duizend tot miljoen keer hogere frequentie. En hoe hoger de frequentie, hoe kleiner de structuren die nodig zijn om de signalen te detecteren en te verwerken.”

De ontwikkeling van zo’n terahertzdetector heeft veel voeten in de aarde gehad. Klapwijk vertelt over supergeleidende nobiumtitaannitride lagen van slechts enkele nanometers dik; over de koeling tot minus 269 graden Celsius om het geheel werkende te houden; over circuits met lokale oscillatoren; over cascadelasers… De boodschap: het is gelukt.

In 2007 lanceert de European Space Agency (ESA) de satelliet Herschel, met aan boord de instrumenten die Klapwijks groep in samenwerking met SRON (Netherlands Institute for Space Research) heeft ontwikkeld. “Terahertzstraling wordt grotendeels geabsorbeerd door de atmosfeer, met name door de waterdamp, dus moet je hoog en droog zitten.” Behalve in de ruimte, worden de detectoren van de TU Delft en SRON ook ingezet voor de Atacama Large Millimeter Array, een internationaal observatorium op vijf kilometer hoogte in de Atacama-woestijn in Chili.
Weg met röntgen

Er zijn ook toepassingen dichter bij huis. Klapwijks terahertzsensoren zijn ook geschikt voor het meten van de samenstelling van onze eigen atmosfeer (bijvoorbeeld voor het meten van de concentraties ozon en uitlaatgassen) en voor allerlei medische toepassingen. Zo wil Philips de technologie gebruiken om de ademhaling van patiënten te monitoren. Terahertzbeelden, beweren sommigen, zou je zelfs kunnen gebruiken voor de detectie van tumoren of van explosieven op vliegvelden.

Terahertzstraling heeft namelijk nóg een leuke eigenschap: het gaat dwars door de meeste materialen heen. Kleren, karton, plastic, katoen; noem maar op. Met terahertzstraling kun je daarom door objecten heen kijken, net als met röntgenstraling, maar met het verschil dat terahertzstraling niet ioniserend is en dus ongevaarlijk voor mensen. “Daar waar je röntgen kunt vervangen door terahertz, zal het dan ook gedaan worden”, is de stellige overtuiging van dr. Paul Planken, onderzoeker bij de opticagroep van Technische Natuurwetenschappen. Hij laat terahertzbeelden zien van een markeerstift met de dop erop terwijl de punt toch zichtbaar is; van een gesloten luciferdoosje waarin je de lucifers ziet zitten; van het watermerk in bankbiljetten.

Hoewel toepassingen in de veiligheid momenteel veel aandacht krijgen, laat Plankens groep deze vooralsnog links liggen. Planken denkt eerder aan instrumenten waarmee je de inhoud van medicijnverpakkingen kunt controleren zonder ze open te maken, of waarmee je de dikte en samenstelling kunt bepalen van zaken als kunststofmantels van elektriciteitskabels, of verflagen van een schilderij. “Een van onze voorstellen voor het IOP behelst de ontwikkeling van een terahertzmicroscoop waarmee we exact kunnen nagaan wat de samenstelling is van wat we bekijken. Zo’n microscoop kun je wellicht gebruiken voor detectie van, zeg, miltvuurbacteriën in poeders.”
Spel met licht

De afdeling van prof.dr.ir. Erik Jansen (mediamatica, EWI) doet ook onderzoek naar de grillen van het licht – maar dan uitsluitend door middel van software.

Zo werkt Jansens afdeling aan computerprogramma’s waarmee men de lichtval in ruimtes als theaters, musea of tunnels kan simuleren. “Nuttig voor ontwerpers die vooraf willen weten hoe het licht zal weerkaatsen of verstrooien in nieuwe ruimtes of bij nieuwe belichtingen”, zegt Jansen. “In dergelijke situaties kunnen fouten achteraf heel kostbaar zijn. Neem bijvoorbeeld een tunnel. Als je die ruimte verkeerd belicht, kunnen automobilisten hun gevoel voor diepte verliezen, met alle gevolgen van dien.”

Pikant detail: Jansens groep maakt gebruik van dezelfde grafische kaarten die nodig zijn voor bijvoorbeeld het befaamde autoracespel ‘Colin McRae Rally’. “De ontwikkeling van de hardware waarmee wij werken, wordt nu eenmaal gedicteerd door de gameswereld”, zegt Jansen. “Maar je kunt er veel meer mee doen dan mooie computerspelletjes maken.”
Witte lasers

Vergeet de heldere rode en groene lichtbundels uit de lasershows . het nieuwste op het gebied van lasers is juist een witte laser. Die doet het misschien minder goed op de dansvloer, maar blijkt niettemin best nuttig . zo nuttig zelfs, dat de uitvinders, John Hall en Theodor Hnsch, er vorig jaar de Nobelprijs voor kregen (ze deden hun uitvinding in 2000). In samenwerking met de TU Delft heeft het Nederlands Meetinstituut (NMi) nu een eigen opstelling gebouwd.

Dr. Nandini Bhattacharya, onderzoeker bij de opticagroep van Technische Natuurwetenschappen, legt uit hoe die werkt. Anders dan de lasers in de disco, zendt deze een reeks kortstondige pulsen uit. Hoe korter de puls, des te meer frequenties (kleuren) in het signaal voorkomen, en al deze kleuren samen ziet het menselijk oog als: wit licht. Bhattacharya: “Voorheen had men hiervoor letterlijk kamers vol optische en elektronische apparatuur nodig en waren deze complexe opstellingen slechts op een paar plaatsen in de wereld beschikbaar.”

Wat heb je eraan? Veel, zo blijkt. Ten eerste heb je met zo’n laser een reeks nauwkeurig bekende frequenties beschikbaar, van laag tot hoog, die je goed kunt gebruiken als referentie bij metingen van optische signalen. Meten is namelijk niets anders dan vergelijken met een bekende referentie, en dat gaat nu eenmaal makkelijker als je referentie in de buurt komt van de te meten grootheid. Wit laserlicht maakt de bouw van een zogenaamde optische atoomklok, die in potentie nauwkeuriger is dan een gewone atoomklok, dan ook een stuk eenvoudiger. Bovendien kun je met deze laser ook afstanden nauwkeuriger meten, wat wellicht van pas kan komen bij de volgende generatie plaatsbepalingsystemen. Ook werkt Bhattacharya met chipfabrikant ASML en TNO aan een systeem waarmee men de ultradunne laagdiktes op chips kan meten.
LED in je lamp

In de ban van wit licht is ook prof.dr.ir. Huub Salemink, bestuurlijk voorzitter van het Kavli Institute for Nanoscience. Zijn groep maakt structuren met afmetingen van tientallen nanometers (gaten, groeven, putten en dergelijke), bedoeld om licht te manipuleren (te reflecteren, om te buigen, te schakelen, te richten enzovoorts). Nu is dat nog infrarood licht voor telecomtoepassingen, maar binnenkort moeten hun systemen ook wit licht (met kortere golflengtes) aankunnen. En daartoe moeten de schakelelementen nóg kleiner worden.

Het idee is om de schakelelementen rechtstreeks te integreren in de lichtbron (een LED of een laser), of anders op een aparte chip die men tegen ertegenaan plakt. Zo’n systeem zal de intensiteit kunnen beïnvloeden, de scherpstelling en de diffusie, en zal bijvoorbeeld van puntverlichting kunnen overschakelen naar paneelverlichting . allemaal zonder ingewikkelde lenzen.

Als lichtbron zal Saleminks groep de nieuwste blauwe of witte LED’s (gemaakt van galliumnitride) gebruiken, van bijvoorbeeld Philips. Lumileds, een dochteronderneming van Philips, is een van de weinige bedrijven ter wereld die de technologie in huis heeft om dergelijke witte LED’s te maken. “Binnen twee jaar zullen de koplampen van auto’s bestaan uit deze LED’s”, voorspelt Salemink. “Het zullen systemen zijn die automatisch reageren op de omgeving.” De koplampen stellen dan bij bijvoorbeeld mist, hevige sneeuwval of het ontbreken van straatverlichting zelf de verlichting in die het beste zicht geeft. De verwachting is dat deze energiebesparende en duurzame LED’s niet alleen in auto’s toegepast worden, maar binnenkort zelfs de positie van gloeilampen en tl-buizen zullen overnemen.

Salemink wil deze nanofotonische systemen ook gebruiken in medische analyse-instrumenten die moleculen zichtbaar maken met laserlicht. Denk aan een soort zakcomputer die aan de hand van een paar druppeltjes lichaamssap ziektes opspoort. “Nu is de laser nog zo groot als een computerkast en staat het instrument noodzakelijkerwijs in een laboratorium. Maar men zou dergelijke systemen graag verkleinen tot zakformaat, zodat patiënten ze thuis of in de apotheek kunnen gebruiken. Daartoe zal men de lasers miniaturiseren en zal er verdere integratie plaatsvinden tussen de lichtbron en de vloeistofkanalen die het monster erlangs transporteren.” Hiertoe gaat Saleminks groep samenwerken met de groepen van prof.dr. Paddy French en prof.dr. Lina Sarro van onderzoeksschool Dimes, die zich zullen concentreren op het sensorgedeelte en op de fabricage van de vloeistofkanaaltjes. “Zij zullen de koppeling mogelijk maken van onze nanostructuren met de buitenwereld.”

Photonic devices

Het innovatiegerichte onderzoeksprogramma (IOP) ‘photonic devices’ richt zich enerzijds op nieuwe lichtbronnen en optische detectiesystemen, en anderzijds op toepassingen van deze optische systemen in de gezondheidszorg. Het is de bedoeling dat de deelnemende onderzoeksinstellingen meer met elkaar en meer met het bedrijfsleven gaan samenwerken, wat op termijn moet leiden tot een fotonicacluster dat voor Nederland zal doen wat de chipindustrie voor de San Francisco-baai heeft gedaan — zo’n IOP is per slot van rekening een subsidieregeling van het ministerie van economische zaken. Het IOP is aangevraagd door de drie TU’s, het Lasercentrum van de VU en het eveneens Amsterdamse FOM-instituut Amolf.

“Wij hebben onze hobby’s waarover we graag publiceren”, zegt prof.dr.ir. Joseph Braat, zelf oud-medewerker van gloeilamppionier Philips. “Maar daarnaast heb je ook graag dat men iets met al die onderzoeksresultaten kan doen. En daarvoor is het IOP een mooi instrument. Hiermee worden alle partijen gedwongen uit hun loopgraven te komen en samen te werken.”

Onzichtbaar licht

Hoe astronomen hun best ook doen: het zicht van onze sterrenkijkers blijft beperkt. Dat komt doordat een conventionele telescoop kijkt naar zichtbaar licht (elektromagnetische straling met een golflengte van vierhonderd tot zevenhonderd nanometer, oftewel een kleur van violet tot rood), terwijl verreweg de meeste straling uit het heelal, zo’n 98 procent, een veel grotere golflengte heeft: zogenaamd ver-infrarood of terahertzstraling. De groep van prof.dr.ir. Teun Klapwijk (physics of nano-electronics, TNW) ontwikkelt detectoren waarmee astronomen ook dit deel van het elektromagnetisch spectrum kunnen waarnemen.

Daarmee kan men de samenstelling en de dichtheid nagaan van interstellaire gaswolken en pasgevormde sterren. Elk molecuul heeft namelijk een unieke ’terahertzvingerafdruk’ waarin bepaalde frequenties dominant zijn of juist ontbreken. “Pas nu wordt terahertzstraling herkend als technologie waarmee men wat kan”, vertelt Klapwijk. Dat heeft vooral te maken met de vlucht die de nanotechnologie de laatste jaren heeft doorgemaakt, legt hij uit. “Radiogolven en microgolven kunnen we met behulp van microchips goed verwerken, maar terahertzstraling heeft een duizend tot miljoen keer hogere frequentie. En hoe hoger de frequentie, hoe kleiner de structuren die nodig zijn om de signalen te detecteren en te verwerken.”

De ontwikkeling van zo’n terahertzdetector heeft veel voeten in de aarde gehad. Klapwijk vertelt over supergeleidende nobiumtitaannitride lagen van slechts enkele nanometers dik; over de koeling tot minus 269 graden Celsius om het geheel werkende te houden; over circuits met lokale oscillatoren; over cascadelasers… De boodschap: het is gelukt.

In 2007 lanceert de European Space Agency (ESA) de satelliet Herschel, met aan boord de instrumenten die Klapwijks groep in samenwerking met SRON (Netherlands Institute for Space Research) heeft ontwikkeld. “Terahertzstraling wordt grotendeels geabsorbeerd door de atmosfeer, met name door de waterdamp, dus moet je hoog en droog zitten.” Behalve in de ruimte, worden de detectoren van de TU Delft en SRON ook ingezet voor de Atacama Large Millimeter Array, een internationaal observatorium op vijf kilometer hoogte in de Atacama-woestijn in Chili.
Weg met röntgen

Er zijn ook toepassingen dichter bij huis. Klapwijks terahertzsensoren zijn ook geschikt voor het meten van de samenstelling van onze eigen atmosfeer (bijvoorbeeld voor het meten van de concentraties ozon en uitlaatgassen) en voor allerlei medische toepassingen. Zo wil Philips de technologie gebruiken om de ademhaling van patiënten te monitoren. Terahertzbeelden, beweren sommigen, zou je zelfs kunnen gebruiken voor de detectie van tumoren of van explosieven op vliegvelden.

Terahertzstraling heeft namelijk nóg een leuke eigenschap: het gaat dwars door de meeste materialen heen. Kleren, karton, plastic, katoen; noem maar op. Met terahertzstraling kun je daarom door objecten heen kijken, net als met röntgenstraling, maar met het verschil dat terahertzstraling niet ioniserend is en dus ongevaarlijk voor mensen. “Daar waar je röntgen kunt vervangen door terahertz, zal het dan ook gedaan worden”, is de stellige overtuiging van dr. Paul Planken, onderzoeker bij de opticagroep van Technische Natuurwetenschappen. Hij laat terahertzbeelden zien van een markeerstift met de dop erop terwijl de punt toch zichtbaar is; van een gesloten luciferdoosje waarin je de lucifers ziet zitten; van het watermerk in bankbiljetten.

Hoewel toepassingen in de veiligheid momenteel veel aandacht krijgen, laat Plankens groep deze vooralsnog links liggen. Planken denkt eerder aan instrumenten waarmee je de inhoud van medicijnverpakkingen kunt controleren zonder ze open te maken, of waarmee je de dikte en samenstelling kunt bepalen van zaken als kunststofmantels van elektriciteitskabels, of verflagen van een schilderij. “Een van onze voorstellen voor het IOP behelst de ontwikkeling van een terahertzmicroscoop waarmee we exact kunnen nagaan wat de samenstelling is van wat we bekijken. Zo’n microscoop kun je wellicht gebruiken voor detectie van, zeg, miltvuurbacteriën in poeders.”
Spel met licht

De afdeling van prof.dr.ir. Erik Jansen (mediamatica, EWI) doet ook onderzoek naar de grillen van het licht – maar dan uitsluitend door middel van software.

Zo werkt Jansens afdeling aan computerprogramma’s waarmee men de lichtval in ruimtes als theaters, musea of tunnels kan simuleren. “Nuttig voor ontwerpers die vooraf willen weten hoe het licht zal weerkaatsen of verstrooien in nieuwe ruimtes of bij nieuwe belichtingen”, zegt Jansen. “In dergelijke situaties kunnen fouten achteraf heel kostbaar zijn. Neem bijvoorbeeld een tunnel. Als je die ruimte verkeerd belicht, kunnen automobilisten hun gevoel voor diepte verliezen, met alle gevolgen van dien.”

Pikant detail: Jansens groep maakt gebruik van dezelfde grafische kaarten die nodig zijn voor bijvoorbeeld het befaamde autoracespel ‘Colin McRae Rally’. “De ontwikkeling van de hardware waarmee wij werken, wordt nu eenmaal gedicteerd door de gameswereld”, zegt Jansen. “Maar je kunt er veel meer mee doen dan mooie computerspelletjes maken.”
Witte lasers

Vergeet de heldere rode en groene lichtbundels uit de lasershows . het nieuwste op het gebied van lasers is juist een witte laser. Die doet het misschien minder goed op de dansvloer, maar blijkt niettemin best nuttig . zo nuttig zelfs, dat de uitvinders, John Hall en Theodor Hnsch, er vorig jaar de Nobelprijs voor kregen (ze deden hun uitvinding in 2000). In samenwerking met de TU Delft heeft het Nederlands Meetinstituut (NMi) nu een eigen opstelling gebouwd.

Dr. Nandini Bhattacharya, onderzoeker bij de opticagroep van Technische Natuurwetenschappen, legt uit hoe die werkt. Anders dan de lasers in de disco, zendt deze een reeks kortstondige pulsen uit. Hoe korter de puls, des te meer frequenties (kleuren) in het signaal voorkomen, en al deze kleuren samen ziet het menselijk oog als: wit licht. Bhattacharya: “Voorheen had men hiervoor letterlijk kamers vol optische en elektronische apparatuur nodig en waren deze complexe opstellingen slechts op een paar plaatsen in de wereld beschikbaar.”

Wat heb je eraan? Veel, zo blijkt. Ten eerste heb je met zo’n laser een reeks nauwkeurig bekende frequenties beschikbaar, van laag tot hoog, die je goed kunt gebruiken als referentie bij metingen van optische signalen. Meten is namelijk niets anders dan vergelijken met een bekende referentie, en dat gaat nu eenmaal makkelijker als je referentie in de buurt komt van de te meten grootheid. Wit laserlicht maakt de bouw van een zogenaamde optische atoomklok, die in potentie nauwkeuriger is dan een gewone atoomklok, dan ook een stuk eenvoudiger. Bovendien kun je met deze laser ook afstanden nauwkeuriger meten, wat wellicht van pas kan komen bij de volgende generatie plaatsbepalingsystemen. Ook werkt Bhattacharya met chipfabrikant ASML en TNO aan een systeem waarmee men de ultradunne laagdiktes op chips kan meten.
LED in je lamp

In de ban van wit licht is ook prof.dr.ir. Huub Salemink, bestuurlijk voorzitter van het Kavli Institute for Nanoscience. Zijn groep maakt structuren met afmetingen van tientallen nanometers (gaten, groeven, putten en dergelijke), bedoeld om licht te manipuleren (te reflecteren, om te buigen, te schakelen, te richten enzovoorts). Nu is dat nog infrarood licht voor telecomtoepassingen, maar binnenkort moeten hun systemen ook wit licht (met kortere golflengtes) aankunnen. En daartoe moeten de schakelelementen nóg kleiner worden.

Het idee is om de schakelelementen rechtstreeks te integreren in de lichtbron (een LED of een laser), of anders op een aparte chip die men tegen ertegenaan plakt. Zo’n systeem zal de intensiteit kunnen beïnvloeden, de scherpstelling en de diffusie, en zal bijvoorbeeld van puntverlichting kunnen overschakelen naar paneelverlichting . allemaal zonder ingewikkelde lenzen.

Als lichtbron zal Saleminks groep de nieuwste blauwe of witte LED’s (gemaakt van galliumnitride) gebruiken, van bijvoorbeeld Philips. Lumileds, een dochteronderneming van Philips, is een van de weinige bedrijven ter wereld die de technologie in huis heeft om dergelijke witte LED’s te maken. “Binnen twee jaar zullen de koplampen van auto’s bestaan uit deze LED’s”, voorspelt Salemink. “Het zullen systemen zijn die automatisch reageren op de omgeving.” De koplampen stellen dan bij bijvoorbeeld mist, hevige sneeuwval of het ontbreken van straatverlichting zelf de verlichting in die het beste zicht geeft. De verwachting is dat deze energiebesparende en duurzame LED’s niet alleen in auto’s toegepast worden, maar binnenkort zelfs de positie van gloeilampen en tl-buizen zullen overnemen.

Salemink wil deze nanofotonische systemen ook gebruiken in medische analyse-instrumenten die moleculen zichtbaar maken met laserlicht. Denk aan een soort zakcomputer die aan de hand van een paar druppeltjes lichaamssap ziektes opspoort. “Nu is de laser nog zo groot als een computerkast en staat het instrument noodzakelijkerwijs in een laboratorium. Maar men zou dergelijke systemen graag verkleinen tot zakformaat, zodat patiënten ze thuis of in de apotheek kunnen gebruiken. Daartoe zal men de lasers miniaturiseren en zal er verdere integratie plaatsvinden tussen de lichtbron en de vloeistofkanalen die het monster erlangs transporteren.” Hiertoe gaat Saleminks groep samenwerken met de groepen van prof.dr. Paddy French en prof.dr. Lina Sarro van onderzoeksschool Dimes, die zich zullen concentreren op het sensorgedeelte en op de fabricage van de vloeistofkanaaltjes. “Zij zullen de koppeling mogelijk maken van onze nanostructuren met de buitenwereld.”

Photonic devices

Het innovatiegerichte onderzoeksprogramma (IOP) ‘photonic devices’ richt zich enerzijds op nieuwe lichtbronnen en optische detectiesystemen, en anderzijds op toepassingen van deze optische systemen in de gezondheidszorg. Het is de bedoeling dat de deelnemende onderzoeksinstellingen meer met elkaar en meer met het bedrijfsleven gaan samenwerken, wat op termijn moet leiden tot een fotonicacluster dat voor Nederland zal doen wat de chipindustrie voor de San Francisco-baai heeft gedaan — zo’n IOP is per slot van rekening een subsidieregeling van het ministerie van economische zaken. Het IOP is aangevraagd door de drie TU’s, het Lasercentrum van de VU en het eveneens Amsterdamse FOM-instituut Amolf.

“Wij hebben onze hobby’s waarover we graag publiceren”, zegt prof.dr.ir. Joseph Braat, zelf oud-medewerker van gloeilamppionier Philips. “Maar daarnaast heb je ook graag dat men iets met al die onderzoeksresultaten kan doen. En daarvoor is het IOP een mooi instrument. Hiermee worden alle partijen gedwongen uit hun loopgraven te komen en samen te werken.”