Czy światło samo w sobie może rzucać cień? Może to brzmieć jak zagadka filozoficzna, ale naukowcy odkryli, że w pewnych warunkach wiązka lasera może zachowywać się jak nieprzezroczysty obiekt i rzucać cień. Odkrycie podważa tradycyjne rozumienie cieni i otwiera nowe możliwości dla technologii, które mogłyby wykorzystać wiązkę lasera do kontrolowania innej wiązki lasera.
„Wcześniej uważano, że światło laserowe rzucające cień nie jest możliwe, ponieważ światło zwykle przechodzi przez inne światło bez interakcji” – powiedział kierownik zespołu badawczego Raphael A. Abrahao z Brookhaven National Laboratory, wcześniej pracującego na Uniwersytecie w Ottawie. „Nasza demonstracja bardzo sprzecznego z intuicją efektu optycznego zachęca nas do ponownego rozważenia naszego pojęcia cienia”.
W czasopiśmie Optica Publishing Group poświęconym badaniom o dużym wpływie badacze opisują, w jaki sposób wykorzystali kryształ rubinu i określone długości fal lasera, aby wykazać, że wiązka lasera może blokować światło i tworzyć widoczny cień w wyniku nieliniowego procesu optycznego. Efekt ten występuje, gdy światło oddziałuje z materiałem w sposób zależny od natężenia i może wpływać na inne pole optyczne.
„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”.
Rozmowa przy lunchu rodzi pomysł
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. 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.
Pomiary cieni
„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.