Stworzono specjalne fale świetlne, które mogą przenikać przez nieprzezroczyste materiały

Naukowcy z Uniwersytetu w Utrechcie i TU Wien (Wiedeń) tworzą specjalne fale świetlne, które mogą przenikać nawet nieprzezroczyste materiały, tak jakby materiału tam nie było.

Dlaczego cukier jest mętny? Ponieważ światło, które przenika kawałek cukru, jest rozpraszane, zmieniane i odchylane w bardzo złożony sposób. Jednak odkąd zespołowi badawczemu z TU Wien (Wiedeń) i Utrecht University (Holandia) udało się teraz wykazać, istnieje klasa bardzo specjalnych fal świetlnych, których to nie dotyczy: dla żadnego konkretnego turbulentnego ośrodka – takiego jak cukier kostkę, którą mogłeś właśnie włożyć do swojej kawy – można stworzyć specjalnie zaprojektowane promienie światła tak, aby praktycznie nie były one zmieniane przez to medium, a jedynie rozcieńczane. Promień światła przenika przez środek, a po drugiej stronie pojawia się wzór światła, który ma taki sam kształt, jak gdyby medium w ogóle nie było.

Idea „stałych wzorców rozpraszania światła” może być również wykorzystana do dokładnego zbadania wnętrza obiektów. Wyniki są teraz publikowane w czasopiśmie Nature Photonics.

Dla porównania: wiązka światła bez rozpraszania. Źródło: Allard Musk / Matthias Kohmayer

Astronomiczna liczba możliwych przebiegów

Fale na wzburzonej powierzchni wody mogą przybierać nieskończoną liczbę różnych kształtów – w podobny sposób można również tworzyć fale świetlne o niezliczonych różnych kształtach. „Każdy wzór fal świetlnych zmienia się i odchyla w bardzo specyficzny sposób, gdy przepuszcza się je przez nieregulowane medium” – wyjaśnia profesor Stefan Rutter z Instytutu Fizyki Teoretycznej na TU Wien.

Stefan Rutter i jego zespół opracowują metody matematyczne do opisu skutków rozpraszania światła. Zespół otaczający profesora Allarda Muska z Uniwersytetu w Utrechcie wniósł wiedzę specjalistyczną potrzebną do wytworzenia i scharakteryzowania tak złożonych pól optycznych. „Jako ośrodek rozpraszający światło użyliśmy warstwy tlenku cynku – nieprzezroczystego białego proszku wykonanego z całkowicie przypadkowych nanocząstek” – wyjaśnia Allard Musk, szef eksperymentalnej grupy badawczej.

Najpierw musisz dokładnie rozróżnić tę warstwę. Wysyłasz bardzo specyficzne sygnały świetlne przez proszek tlenku cynku i mierzysz, jak docierają do detektora za nim. Na tej podstawie można wywnioskować, jak jakakolwiek inna fala została zmieniona przez to medium – w szczególności można obliczyć wzór fal zmieniony przez tę warstwę tlenku cynku, tak jakby rozpraszanie fal było całkowicie nieobecne w tej warstwie.

„ Jak mogliśmy pokazać, istnieje bardzo szczególna klasa fal świetlnych – tak zwane statyczne tryby światła rozproszonego, które wytwarzają dokładnie ten sam wzór fal w detektorze, niezależnie od tego, czy fala świetlna była tylko przepuszczana. powietrze, czy musiało. Wnika w złożoną warstwę tlenku cynku ”- mówi Stefan Roter. „W eksperymencie widzimy, że tlenek cynku w rzeczywistości wcale nie zmienia kształtu tych fal świetlnych – ogólnie stają się one trochę słabsze” – wyjaśnia Allard Musk.

Konstelacja gwiazd w detektorze światła

O ile te niezmienione tryby światła są wyraźne i rzadkie, z nieskończoną liczbą fal świetlnych teoretycznie możliwych, nadal można ich znaleźć wiele. A jeśli połączysz kilka z tych niezmienionych trybów światła we właściwy sposób, ponownie otrzymasz niezmieniony przebieg rozpraszania.

„W ten sposób, przynajmniej w pewnych granicach, masz całkowitą swobodę wyboru obrazu, który chcesz przesłać przez obiekt bez zakłóceń” – mówi Jeroen Bosch, który jako doktorant pracował nad eksperymentem. student. „Do eksperymentu wybraliśmy jako przykład konstelację: Wielki Wóz. Rzeczywiście, można było określić statyczną falę rozpraszającą, która przesyła obraz Wielkiego Wozu do detektora, niezależnie od tego, czy fala świetlna jest rozpraszana przez warstwa tlenku cynku, czy nie. W przybliżeniu tak czy inaczej. „

Zajrzyj do lochu

Metodę tę można również wykorzystać do znalezienia wzorców światła, które przenikają przez obiekt bez znacznego zakłócania procedur obrazowania. „W szpitalach promienie rentgenowskie są używane do zajrzenia do wnętrza ciała – mają one krótszą długość fali, dzięki czemu mogą przenikać przez naszą skórę. Jednak sposób, w jaki fala świetlna przenika coś, zależy nie tylko od długości fali, ale także od kształtu fali” – mówi Matthias Kohmeier, który pracuje Posiada stopień doktora. Student symulacji komputerowych propagacji fal. „Jeśli chcesz skupić światło wewnątrz obiektu w określonych punktach, nasza metoda otwiera zupełnie nowe możliwości. Udało nam się pokazać, że stosując nasze podejście, można również precyzyjnie kontrolować rozkład światła w warstwie tlenku cynku”. może być interesujące dla eksperymentów, na przykład biologicznych, gdy chcesz wprowadzić światło w bardzo określonych punktach, aby zajrzeć głęboko do wnętrza komórek.

To, co pokazuje wspólna publikacja naukowców z Holandii i Austrii, to jak ważna jest międzynarodowa współpraca między teorią i doświadczeniem dla rozwoju tej dziedziny badań.

Źródła: „Rozproszenie stałych wzorców światła w złożonych mediach” autorstwa Pritama Baya, Jeroena Boscha, Matthiasa Kohmeyera, Stefana Ruttera i Allarda P. Muska, 8 kwietnia 2021 r., Nature Photonics.
DOI: 10.1038 / s41566-021-00789-9