Отбрасывает ли лазер тень?

Определенные явления и процессы являются результатом работы фундаментальных законов точных наук, а потому они неизменны и неподвластны какому-либо влиянию пытливых умов. Однако ученые не были бы учеными, если бы не находили способы получения контроля над теми или иными явлениями с возможностью их изменения. К примеру, свет не отбрасывает тень — это общеизвестный факт, основанный на законах физики. Но ученые из университета Уотерлу и Оттавского университета (Канада) обнаружили, что при определенных условиях лазерный луч может действовать как непрозрачный объект, то есть отбрасывать тень. Какие же эти условия, и какова польза от такого лазера? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Физическое понимание людьми теней развивалось рука об руку с нашим пониманием света и оптики. На протяжении всей этой многотысячелетней истории люди видели, что тени отбрасываются материальными объектами, такими как деревья, облака или Луна. Изучение и использование теней проходит через всю историю искусств и науки. Театр теней существовал на протяжении тысячелетий в различных культурах по всему миру. В изобразительном искусстве исследование теней в эпоху Возрождения, например, Леонардо да Винчи и Дюрером, способствовало развитию перспективы и реализма в западной живописи. В астрономии тени раскрыли нашу связь с космосом. Открытие того, что затмения — это тени, привело к измерению размеров и расстояний Луны и Солнца, в то время как Эратосфен использовал тени для измерения окружности Земли.

В оптике описание теней Ибн аль-Хайсамом придало достоверность лучевой модели света, в то время как подробные наблюдения и предсказания теней Гримальди, Френеля и Араго ввели концепцию дифракции и волновую модель. В математике понимание того, что тени являются проекциями (т. е. силуэтами) объекта, привело к ранним картографическим проекциям и заложило основу ключевых концепций в линейной алгебре. В философии одним из самых известных текстов является аллегория Платона о пещере, дискуссия, основанная на тенях. В технологии тени являются основой контактной литографии, рентгеновских изображений и множества способов измерения и реконструкции трехмерных объектов, например, компьютерной томографии. За столетие этого исследования тень стала определяться как темная область на поверхности, где свет был заблокирован объектом. Все это время, независимо от того, является ли объект твердым, газообразным или жидким, непрозрачным или полупрозрачным, неявно предполагалось, что он материален, т. е. состоит из некоторого обычного физического объекта, имеющего массу.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые демонстрируют контрпример этому, а именно тень, отбрасываемую лазерным лучом. Тень, которая наблюдается в результате опытов, имеет обычные характеристики типичной тени, созданной материальным объектом. А именно, тень соответствует критериям: это крупномасштабный эффект (критерий 1), который виден глазу на обычных поверхностях (критерий 2); он возникает из-за того, что объект блокирует свет освещения (критерий 3), и, таким образом, он принимает форму освещенного объекта (критерий 4) и следует, когда объект меняет положение или форму (критерий 5); тень следует контуру объекта, на который она падает, создавая ощущение трехмерности (критерий 6).

Изображение №1

В качестве объекта ученые использовали лазерный луч, а именно мощный зеленый луч с оптической длиной волны 532 нм. Этот объектный луч проходит через куб стандартного рубинового кристалла. Луч освещался сбоку синим светом.

На 1A и 1B показана тень объектного луча, отбрасываемая на лист бумаги. Лазерная тень простирается через всю грань рубинового куба, длиной около 1.2 см, подтверждая макроскопический масштаб (критерий 1). Более того, на 1A представлена фотография, сделанная с помощью обычной фотокамеры. Она действительно отображает то, что можно увидеть лично своими глазами (критерий 2). На 1C и 1D показана тень, падающая на маркер из белого пластика, который помещен перед бумагой. Как и следовало ожидать, тень следует контурам глубины сцены: закругленная поверхность маркера и плоская бумага за ним, тем самым подтверждая критерий 6. Таким образом, три из шести критериев были качественно подтверждены.

При обычных обстоятельствах фотоны не взаимодействуют друг с другом, а тем более не блокируют друг друга, как это необходимо для тени. Однако фотон-фотонное взаимодействие может происходить в ограниченных ситуациях. При экстремальных оптических интенсивностях было предсказано, что поле может поляризовать вакуум и тем самым влиять на другое поле. В специально подготовленных газах (например, из атомов Ридберга) было продемонстрировано, что большие атомные диполи опосредуют взаимодействие фотонов. Сочетание бозонной статистики и квантовой интерференции может привести к объединению фотонов, например, в интерференции Хонга-Оу-Манделя. Эффект лазерной тени возникает из разнообразной предметной области нелинейной оптики, в которой материя нелинейно реагирует на приложенное оптическое поле и затем может влиять на другое поле.

Теоретическая база исследования

Для наблюдения тени лазерного луча требуется среда, которая демонстрирует сильное нелинейное поглощение. Однако большинство материалов демонстрируют насыщение поглощения при высокой интенсивности лазера. Это означает, что материал становится более прозрачным в присутствии сильного лазерного поля. Это привело бы к «антитени», где теневое местоположение лазерного луча кажется ярче фона.

Однако некоторые материалы могут демонстрировать увеличение поглощения при более высоких интенсивностях при определенных условиях. Этот ответ известен как обратное насыщение поглощения и требует особых условий, которые включают более чем двухуровневую систему. Более того, возбужденное состояние должно иметь большее поперечное сечение поглощения, чем основное состояние. Кроме того, ни первое, ни второе возбужденные состояния не должны распадаться на другие уровни, которые могут захватывать атомную популяцию. Также падающий свет должен насыщать только первый переход. Недавнее исследование показало, что рубин удовлетворяет всем этим условиям и демонстрирует обратное насыщение поглощения.

Изображение №2

Эффект лазерной тени концептуально изображен на 2A–2D, где показаны пути распространения луча объектного лазера (зеленый) и луча осветительного лазера (синий). Эффект лазерной тени является следствием оптического нелинейного поглощения (т. е. обратного насыщения поглощения, эквивалентно называемого насыщаемым пропусканием) в рубине. Везде, где в рубине присутствует луч объектного лазера (зеленый), он увеличивает оптическое поглощение луча осветительного лазера (синий). Это приводит к образованию в освещающем свете соответствующей области с более низкой оптической интенсивностью, т. е. более темной области, которая является тенью зеленого лазерного луча.

На фундаментальном уровне этот эффект объясняется атомной структурой рубина и его оптическими свойствами. Рубин (Al₂O₃:Cr) представляет собой кристалл оксида алюминия, а отчетливый рубиново-красный цвет обусловлен примесями хрома (т. е. атомами), которые искажают кристаллическую решетку. Соответствующие энергетические уровни кристаллической решетки рубина, представленные на диаграмме на 2D, демонстрируют необычное взаимодействие. Один цвет — зеленый, объектный лазерный луч, имеющий оптическую длину волны 532 нм. Он вызовет переход из основного состояния ⁴A₂ в возбужденное состояние ⁴T₂, которое затем быстро распадается через фононы в состояние ²E. Затем это позволяет электронам поглощать синий свет (450 нм), освещение, переходя из ²E в ²T₁. Однако синий лазер (450 нм) в принципе может быть поглощен электронами в ⁴A₂ и перейти на какой-то другой уровень (не показан на схеме). Эффект будет иметь место только в том случае, если поперечное сечение поглощения второго перехода (²E в ²T₁) больше, чем поперечное сечение первого перехода (⁴A₂ в ⁴T₂), что является особым случаем, демонстрируемым рубином.

Ученые отмечают, что, во-первых, оба лазера, зеленый и синий, не находятся в резонансе друг с другом, так как это не требуется для достижения эффекта. Во-вторых, переход синего лазера не цикличен. Эти два аспекта упрощают использование и исследование эффекта лазерной тени.

Экспериментальная часть

Упрощенная схема экспериментальной установки представлена на 2C. Лазерный диод непрерывной волны (CW от continuous wave) создает синий освещающий свет, который коллимируется и увеличивается линзами для заполнения рубинового куба, имеющего длину ребра 12.0 ± 0.5 мм и легирование 2.5 х 10²⁵/м³ ± 10%. Зеленый объектный лазер создается твердотельным лазером с непрерывной диодной накачкой. Теоретическая модель показывает, что локальная непрозрачность зеленого лазерного луча насыщается при высоких интенсивностях, т. е. любая выбранная точка в объекте лазерного луча будет полупрозрачна для синего освещения. Увеличивая толщину объектного луча вдоль x, направления вдоль освещения, можно достичь максимизации длины взаимодействия между объектным и освещающим светом. Для достижения этого объектный луч имеет эллиптический профиль, т. е. приблизительно гауссов, с полушириной интенсивности 1/e² w_0x = 3.17 ± 0.01 мм и w_0y = 0.168 ± 0.003 мм в направлениях x и y соответственно.

Поглощение зеленого лазера нагревает куб, что изменяет популяцию фононов и шаг решетки и, в свою очередь, непрозрачность. Следовательно, ученые ограничивают время нагрева по мере необходимости, чтобы поддерживать низкую температуру куба, которую они контролируют. Изображения были сделаны двумя разными способами. Первый был разработан для того, чтобы запечатлеть то, что видно глазу. В нем зеркало отражает проходящее синее освещение на лист бумаги, который затем фотографируется с помощью цифровой камеры и объектива. Во втором способе научная монохромная камера находится непосредственно на пути проходящего синего света, чтобы получить количественные данные.

Изображение №3

На 3A показано типичное изображение, полученное научной камерой, когда мощность лазера объекта установлена на P = 15 Вт, четко показывающее тень лазера. Был сделан набор из 21 изображения, используемых для нормализации без объектного лазера (зеленого), затем 21 изображение с ним, и, таким образом, с тенью. Для всех изображений ученые интегрировали по z, что приводит к распределению только по y. Каждое распределение изображения тени s(y) было разделено на распределение изображения нормализации n(y), чтобы найти относительный коэффициент пропускания в каждой позиции y, T(y) = s(y) / n(y). Средний относительный коэффициент пропускания и его стандартная ошибка по 21 изображению показаны на 3B. При отсутствии тени номинально T(y) = 1 при всех y, тогда как совершенно черная тень имела бы T(y) = 0.

Продолжая эту процедуру, было сделано 21 изображение для каждой из шести мощностей объектного лазера в диапазоне P от 5W до 17 Вт (измерено непосредственно перед кубом). На 3B показана полученная экспериментальная относительная пропускаемость вместе с соответствующими теоретическими кривыми с полосами ошибок, найденными из неопределенностей параметров в модели. Стоит отметить, что на 3B возможно, что некоторые экспериментальные значения нормализованной пропускаемости T могут показывать значения выше 1.0. Это чисто артефакт математической нормализации, основанной на реальном изображении; никакого физического смысла с этим не связано. Для облегчения сравнения различных конфигураций оптической мощности объектного лазера (зеленого) и для ясности рисунка каждый набор графиков для заданной мощности смещен по вертикали на 0.2 сплошной черной линией, чтобы указать опорный уровень для падения пропускаемости в соответствии с этим уровнем.

Экспериментальный относительный коэффициент пропускания раскрывает несколько важных характеристик эффекта лазерной тени. Эксперимент и теоретическая модель хорошо согласуются для самого большого падения коэффициента пропускания, что говорит о том, что физическая модель правильно предсказывает максимальное количество блокируемого освещения. Однако ширина теоретической тени примерно вдвое больше измеренной тени. Неожиданно узкая тень может потенциально указывать на другие нетеневые нелинейные оптические эффекты, играющие роль в формировании наблюдаемой темной области. Например, нелинейная оптическая рефракция объектным лучом может отводить освещение, а не блокировать его, создавая темные области, очень похожие на те, которые образуются на дне бассейна поверхностными волнами. Чтобы различить эти возможные причины, ученые сравнили форму тени с профилем вдоль y объектного лазерного луча. Подгонка Гаусса (сплошная красная линия на 3B) к профилю объектного луча точно соответствует экспериментальному профилю, хотя и не в пределах погрешности. Это подтверждает ожидание, что тень должна быть того же размера, что и объект (критерий 4), и что это вызвано блокированием, а не отклонением освещающего света (критерий 3). Другая возможная гипотеза о расхождении ширины между измерениями и теоретической моделью — это процесс самофокусировки, когда объектный лазерный луч (зеленый) проходит через рубиновый куб.

Темнота тени является ее главной характеристикой, и поэтому ее необходимо было более тщательно изучить. Для этого ученые сравнили темноту с освещением, используя контраст ©:

где, по всем y, T^bottom(y_min) — это минимальное значение пропускания T для луча лазера подсветки (синего), т. е. самое темное прошедшее значение, при наличии объектного луча лазера (зеленого), тогда как T^top(y_min) — это значение пропускания T для луча лазера подсветки (синего) в том же положении (y_min), когда объектный луч (зеленый) отсутствует. По сути, контраст C — это нормализованная метрика падения пропускания луча лазера подсветки (синего).

График экспериментального контраста как функции оптической мощности зеленого лазера представлен на 3C вместе с линейной подгонкой (C = mP; m = 1.38 ± 0.03%/Вт) и теоретическими предсказаниями для каждой из шести мощностей. Для оценки качества линейной подгонки ученые получили R² = 0.9669 и χ² = 0.307. Это означает, что линейное распределение хорошо соответствует наблюдаемым данным. Линейность показывает, что объектный луч далек от насыщения перехода ⁴A₂ в ⁴T₂, как и было целью создания эллиптического объектного луча. Максимальный достигнутый контраст составил 22.1 ± 0.6% при 17.04 ± 0.02 Вт в объектном луче. Для этого случая вводится коэффициент затухания, который испытывает освещающий свет при прохождении через объектный луч (α = 173.6/м).

Ученые пришли к выводу, что чем больше увеличение мощности объектного лазерного луча, тем сильнее падает коэффициент пропускания освещающего синего света, что приводит к большей величине эффекта тени лазера, что, в свою очередь, проявляется в виде большего значения контрастности.

Изображение №4

В заключение ученые решили сравнить лазерную тень с обычной тенью, созданной материальным объектом. Выше представлены три снимка, сделанных научной камерой, каждый из которых показывает разное сравнение. На 4A, пока присутствует объектный луч, ученые помещали прядь черных волос на пути освещающего синего света перед кубом. Неудивительно, что черные волосы более непрозрачны, чем объектный лазерный луч, который пропускает почти 80% освещения, и отбрасывают более темную тень. Тем не менее без меток было бы трудно решить, какой объект отбрасывает какую тень.

На 4B ученые разделили и отклонили зеленый лазер, используя вытеснитель луча и призму с целью изменения светового объекта на Х-образный, т. е. два луча, пересекающиеся под острым углом. Как и в случае с тенью материального объекта, лазерная тень на снимке принимает новую форму объекта, подтверждая критерий 4, т. е. лазерная тень имеет форму буквы Х. На 4C линейка, помещенная перед рубиновым кубом, и объектный лазер присутствуют на снимке оба, показывая масштаб длины эффекта (критерий 1) и, таким образом, его макроскопическое проявление.

Видео №1

Для подтверждения окончательного критерия ученые сделали видео одного из объектных лазерных лучей, изменяющих угол и положение. Как и требовал критерий 5, тень следует за объектным лучом по мере его перемещения без наблюдаемой человеческим глазом задержки. Теоретическая модель указывает, что время отклика эффекта лазерной тени находится в миллисекундном режиме.

Эффект лазерной тени требует, чтобы рубин опосредовал эту блокировку, что поднимает интересный вопрос о том, сами ли фотоны в объектном лазере блокируют освещающий свет или, скорее, это атомы в рубине. Аналогичный вопрос — распространяется ли световая волна в материале, состоящем из фотонов или возбуждений в атомах — относится к установленным эффектам, таким как замедленный или остановленный свет и, действительно, даже к повседневной передаче через стеклянное окно. По сути, волна на самом деле состоит из гибрида двух, поляритонов. Эксперименты показывают сильное поглощение (отсюда и тень) и поляритонную природу возбуждения в среде, и обе концепции необходимы для понимания того, что происходит. Строго говоря, это не безмассовый свет создает тень, а материальный аналог поляритона, который имеет массу, что и отбрасывает тень.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые показали, как можно заставить лазерный луч отбрасывать тень, которая ведет себя как любая другая обычная тень. На данный момент лазерная тень подчиняется шести простым критериям, которые отличают обычные тени от других явлений, которые внешне похожи, таких как нелинейная оптическая рефракция, затемняющее свет стекло, температурно-чувствительные зеркала или лазерно-индуцированное повреждение стекла.

Особое значение имеет то, что ученые нашли успешное согласие их аналитической физической модели с количественными наблюдениями, показывая, что механизм, стоящий за лазерной тенью, — это блокировка освещающего света.

Во время опытов ученые использовали мощный лазерный луч зеленого цвета, направленный через куб из рубинового кристалла, а затем осветили его синим лазерным лучом. Когда зеленый лазер попадает в рубин, он локально изменяет реакцию материала на синюю длину волны. Зеленый лазер действует как обычный объект, а синий лазер действует как освещение. В результате взаимодействия двух лазеров формировалась тень, т. е. темная область, где зеленый лазер блокировал синий. Другие материалы, такие как александрит, как считают ученые, также смогут демонстрировать эффект лазерной тени.

Этот эксперимент переопределяет наше понимание того, что такое тень — при правильных условиях лазерные лучи могут отбрасывать тень. Потенциальные приложения можно представить в таких областях, как оптическое переключение, контролируемая тень или пропускание, контроль непрозрачности света с помощью света и литография. Ученые отмечают, что с технологической точки зрения продемонстрированный ими эффект показывает, что интенсивность лазерного луча можно контролировать, применяя другой лазер. В будущем они планируют исследовать другие материалы и другие длины волн лазера, которые могут производить подобные эффекты.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?