Wykazano, że promienie lasera rzucają cienie, co zaprzecza wcześniejszym poglądom, że światło nie może blokować światła. Zjawisko to, zademonstrowane przy użyciu kryształów rubinu i specjalnych ustawień lasera, otwiera potencjalne zastosowania w zaawansowanych urządzeniach do kontroli światła i przełączania optycznego.
Czy światło może rzucać cień? Może to brzmieć jak zagadka filozoficzna, ale naukowcy odkryli, że w określonych warunkach wiązka lasera może zachowywać się jak obiekt stały i rzucać cień. Ten przełom podważa tradycyjne poglądy na temat powstawania cieni i otwiera drzwi do innowacyjnych technologii, w tym systemów, w których jedna wiązka lasera może kontrolować drugą.
Rzucanie wyzwanie tradycyjnym koncepcjom
„Wcześniej uważano, że światło laserowe rzucające cień nie jest możliwe, ponieważ światło zwykle przechodzi przez inne światło bez interakcji” – wyjaśnił Raphael A. Abrahao, kierownik zespołu badawczego z Brookhaven National Laboratory, a wcześniej pracownik Uniwersytetu Ottawskiego. „Nasza demonstracja bardzo sprzecznego z intuicją efektu optycznego zachęca nas do ponownego rozważenia naszego pojęcia cienia”.
Opublikowano w Optykaczasopismo Optica Publishing Group, w badaniu szczegółowo opisano, w jaki sposób zespół wykorzystał kryształ rubinu i określone długości fal lasera do stworzenia efektu cienia. Zjawisko to wynika z nieliniowego procesu optycznego, w którym światło oddziałuje z materiałem w sposób zależny od intensywności, umożliwiając mu wpływ na inne pole świetlne i wytworzenie widzialnego cienia.
„Nasze rozumienie cieni rozwijało się równolegle z rozumieniem światła i optyki” – powiedział Abrahao. „To nowe odkrycie może okazać się przydatne w różnych zastosowaniach, takich jak przełączanie optyczne, urządzenia, w których światło kontroluje obecność innego światła, lub technologie wymagające precyzyjnej kontroli transmisji światła, takie jak lasery dużej mocy”.
Pochodzenie idei cienia laserowego
Nowe badania stanowią część szerszych badań nad interakcją wiązki światła z inną wiązką światła w specjalnych warunkach i nieliniowych procesach optycznych. Pomysł zrodził się podczas rozmowy przy obiedzie, kiedy wskazano, że niektóre schematy eksperymentalne wykonane za pomocą oprogramowania do wizualizacji 3D przedstawiają cień wiązki laserowej, ponieważ traktują ją jak cylinder bez uwzględnienia fizyki wiązki laserowej. Niektórzy naukowcy zastanawiali się: czy można to zrobić w laboratorium?
„To, co zaczęło się jako zabawna dyskusja podczas lunchu, doprowadziło do rozmowy na temat fizyki laserów i nieliniowej reakcji optycznej materiałów” – powiedział Abrahao. „Stamtąd postanowiliśmy przeprowadzić eksperyment, aby zademonstrować cień wiązki laserowej”.
Aby to zrobić, badacze skierowali zielony laser o dużej mocy przez sześcian wykonany ze standardowego kryształu rubinu i oświetlili go z boku niebieskim laserem. Kiedy zielony laser wchodzi w rubin, lokalnie zmienia reakcję materiału na niebieską długość fali. Zielony laser działa jak zwykły obiekt, podczas gdy niebieski laser działa jak oświetlenie.
Interakcja między dwoma źródłami światła utworzyła cień na ekranie, który był widoczny jako ciemny obszar, w którym zielony laser blokował niebieskie światło.
Nauka tworzenia cieni za pomocą laserów
Interakcja między dwoma źródłami światła utworzyła cień na ekranie, który był widoczny jako ciemny obszar, w którym zielony laser blokował niebieskie światło. Spełniał wszystkie kryteria cienia, ponieważ był widoczny gołym okiem, podążał za konturami powierzchni, na którą spadł oraz podążał za położeniem i kształtem wiązki lasera, która działała jak obiekt.
Efekt cienia lasera jest konsekwencją optycznej nieliniowej absorpcji w rubinie. Efekt występuje, ponieważ zielony laser zwiększa absorpcję optyczną niebieskiej wiązki światła laserowego, tworząc pasujący obszar w świetle oświetlającym o niższej intensywności optycznej. Rezultatem jest ciemniejszy obszar, który pojawia się jako cień zielonej wiązki lasera.
Odkrywanie nowych dziedzin manipulacji światłem
„To odkrycie poszerza naszą wiedzę na temat interakcji światło-materia i otwiera nowe możliwości wykorzystania światła w sposób, którego wcześniej nie rozważaliśmy” – powiedział Abrahao.
Naukowcy zmierzyli eksperymentalnie zależność kontrastu cienia od mocy wiązki lasera i stwierdzili, że maksymalny kontrast wynosi około 22%, co odpowiada kontrastowi cienia drzewa w słoneczny dzień. Opracowali także model teoretyczny i wykazali, że może on dokładnie przewidzieć kontrast cieni.
Naukowcy twierdzą, że z technologicznego punktu widzenia zaprezentowany przez nich efekt pokazuje, że intensywność transmitowanej wiązki laserowej można kontrolować za pomocą innego lasera. Następnie planują zbadać inne materiały i inne długości fal lasera, które mogą dawać podobne efekty.
Odniesienie: „Cień wiązki lasera” Henri PN Morina, Jordana TR Pagé, Raphaela A. Abrahao, Akbar Safari, Jeffa S. Lundeena i Roberta W. Boyda, 19 listopada 2024 r., Optyka.
DOI: doi:10.1364/OPTICA.534596
