Толика тьмы в пучке света: лазер заставили отбрасывать тень

Способен ли свет сам отбрасывать тень? Это может показаться философской загадкой, но учёные в действительности увидели, что при определённых условиях луч лазера работает как непрозрачный объект. Открытие бросило вызов традиционным взглядам на саму сущность теней и открыло новые технологические возможности.


В издании Optica первооткрыватели описали, как использовали рубин и лазеры с определённой длиной световых волн. Тем самым экспериментаторы стремились показать, что интенсивный свет может создавать очевидную тень благодаря нелинейному оптическому процессу. Эффект с таким названием возникает, когда взаимодействие света с материалом меняется в зависимости от интенсивности, влияя на другое оптическое поле.

Руководитель научного коллектива Рафаэль Абрахао рассказал, что понимание наукой тени развивалось одновременно с познаниями о свете и оптики. Конкретная идея возникла во время ланча, когда кто-то из коллег заметил, что некоторые компьютерные визуализации изображали тень от лазерного луча, потому что учитывали его как цилиндрическое тело, игнорируя физические свойства. Так участники обеденного разговора задались вопросом: можно ли воссоздать подобное на самом деле, в лаборатории? Хотя известные законы физики противоречили этому: при обычных обстоятельствах светоносные частицы (фотоны) беспрепятственно проходят сквозь друг друга.

Абрахао сказал, что полушутливая обеденная дискуссия породила затем разговор о физике лазеров и неожиданной реакции на них материалов. В итоге участники беседы задумали поэкспериментировать в попытке добиться тени от света.

Для этого физики направили мощный зелёный лазер на куб из рубинового кристалла и осветили его сбоку синим лазером. Когда зелёный вошёл в рубин, он точечно изменил реакцию материала на длину синей волны. Зелёный лазер действовал как обычный объект не из света, а синий — как источник света.

Взаимодействие двух источников света создало на экране тень, выглядевшую как тёмная область в том месте, где зелёный лазер блокировал синий свет. Мглистая полоска отвечала всем признакам тени: была видима невооружённым глазом; повторяла очертания поверхности, на которую падала; вторила положению и форме лазерного луча, который выступал в качестве объекта.

Меняя мощность лазера, исследователи довели контрастность тени до 22%, а это аналогично тени от столба в солнечный день! Экспериментаторы также на теоретической модели и доказали, что теневой контраст можно предсказать наверняка.

Открытие сулит пользу в оптической связи, при создании устройств, в которых свет управляет другим светом, а также при конструировании мощных лазеров.

Теперь исследователи планируют изучить другие материалы и иные длины волн лазера на предмет подобных эффектов. А лазеры, напомним, используются в столь многих сферах, — от измерения расстояний и лазерного оружия до медицины и световых шоу — что чем больше они подвластны науке, тем больших выгод принесут.