Naukowcy z Uniwersytetu w Tampere odkryli, że wiązki światła zniekształcają się pod wpływem odbicia, ujawniając właściwości materiału. Ich praca nad skręconymi falami świetlnymi może udoskonalić techniki pomiarów optycznych.
Z naszego codziennego doświadczenia wynika, że światło odbite od idealnie płaskiego lustra daje niezakłócony obraz. Jednakże, gdy pole świetlne ma bardziej złożoną strukturę, w rzeczywistości występują niewielkie odkształcenia.
Naukowcy z Uniwersytetu w Tampere po raz pierwszy zaobserwowali te subtelne zniekształcenia w laboratorium. Ich odkrycia potwierdzają teoretyczne przewidywania poczynione ponad dziesięć lat temu dotyczące tego podstawowego efektu optycznego. Co więcej, badanie pokazuje, w jaki sposób można zastosować to zjawisko, na przykład w technikach analizy właściwości materiałów.
Światło jest falą. Chociaż to proste stwierdzenie jest znane naukowcom od ponad stulecia, badacze zajmujący się optyką i fotoniką rutynowo odkrywają i badają nowe właściwości i zastosowania fal świetlnych. Na Uniwersytecie w Tampere Grupa Eksperymentalnej Optyki Kwantowej (EQO) bada niuanse kształtu – lub struktury, jak to się często nazywa – światła. Struktura światła stała się ważnym tematem we współczesnej optyce, wraz z postępem, od podstaw fizyki kwantowej po informatykę i komunikację optyczną.
W swojej najnowszej pracy naukowcy wykazali, że kształt wiązki światła ulega niewielkiemu zniekształceniu, gdy odbija się ona od idealnie płaskiego obiektu, takiego jak lustro. Choć odkształcenie jest bardzo małe, niesie ze sobą istotne informacje o samym przedmiocie, np. o materiale, z którego jest wykonany. Ten tak zwany efekt aberracji topologicznej, przewidywany ponad dziesięć lat temu przez badaczy z Wielkiej Brytanii, został teraz zaobserwowany po raz pierwszy.
„Chociaż ogólna koncepcja obserwacji deformacji wydaje się dość prosta, udoskonalenie naszego eksperymentu i dostosowanie oryginalnej teorii w celu odróżnienia efektu od wszystkich innych deformacji belek, które są naturalne w badaniach eksperymentalnych, zajęło nam ponad rok” – wyjaśnia profesor nadzwyczajny Robert Fickler, lider grupy zespołu EQO.
Wiry światła i ciemności
Wraz z ostatnim postępem technologicznym w kształtowaniu fal świetlnych, w ostatnich dziesięcioleciach dziedzina światła strukturalnego przeżywa rozkwit. Duże zainteresowanie tą dziedziną wynika z tak zwanych skręconych fal świetlnych, które nie tylko poruszają się z prędkością światła, ale także wirują podczas podróży.
„Ciekawe w tych skręconych polach światła jest to, że mają w sobie punkty, które są całkowicie ciemne, optyczne wiry, jak je nazywamy, przypominające wiry w wodzie, które same w sobie są bezwodne. Udało nam się zaobserwować, jak te wiry skręcają się i poruszają, gdy wiązka wchodzi w interakcję z płaskim obiektem, i czego możemy się dowiedzieć z tych ruchów”, dodaje Rafael Barros, doktorant Akademii, główny autor badania.
Dynamika wirów w polach optycznych jest przedmiotem wieloletnich badań i jest zwykle uważana za skomplikowane zadanie matematyczne. W swojej pracy autorzy badali, jak poruszają się wiry skręconego pola świetlnego, gdy jest ono odbite od obiektu. Pokazali, że choć każdy wir optyczny porusza się w skomplikowany sposób, to o ich zbiorowym ruchu decydują właściwości obiektu w prosty i przewidywalny sposób. Naukowcy podkreślają, że ich praca zainspiruje nowe sposoby pomiaru właściwości materiałów z falami strukturalnymi. Wprowadzi to nowy zwrot w technologiach optycznych.
Odniesienie: „Obserwacja aberracji topologicznych skręconego światła” Rafaela F. Barrosa, Subhajita Beja, Markusa Hiekkamäkiego, Marco Ornigottiego i Roberta Ficklera, 17 września 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-52529-6
