Ученые добились контроля над распространением лазерного излучения сквозь рассеивающую среду. В опытах специально настроенный лазер проникал в слой белой краски и выходил из него, испытав значительно уменьшенное рассеяние. Среди потенциальных областей применения новой технологии авторы называют телекоммуникации и медицинскую диагностику. Результаты опубликованы в журнале Nature Photonics.
Пространственные неоднородности в значении показателя преломления неупорядоченных сред, таких как биологические ткани, белые краски или облака, приводят к многократному рассеянию падающего света. В результате значительная часть излучения отражается в сторону источника, что затрудняет передачу информации и энергии сквозь такую среду, поэтому во многих ситуациях желательно избавиться от рассеяния.
«Если мы хотим отправить лазерный импульс в толщу биологической ткани, то уменьшение рассеяния позволит сделать его более концентрированным, — говорит соавтор новой работы Хуэй Цао (Hui Cao) из Йельского университета в США. — Обычно при распространении оптического пучка сквозь рассеивающую среду, такую как туман, он будет становиться шире, однако мы обнаружили, что специальная подготовка лазерного луча позволяет передать весь падающей свет без уширения в боковом направлении».
Впервые теоретическая возможность полного подавления рассеяния в среде была предсказана в случае электронного транспорта в проводниках. В работе Цао и ее коллег аналогичная идея применяется для оптического излучения. Благодаря тонкой настройке падающего фронта волны, физикам удалось добиться контроля над интерференцией отраженных волн. Авторы создали упрощенную модель распространения волн сквозь слой белой краски из наночастиц оксида цинка, что позволило теоретически рассчитать необходимую форму фронта.
Также исследователи решили экспериментально проверить полученные в модели результаты. Для этого они использовали пространственный модулятор света, способный формировать волновой фронт необходимой формы, и расположенную позади слоя краски камеру для фиксации результата. После определения параметров конкретной непрозрачной среды система оказалась готова для применения. В опытах лазерный луч со случайным фронтом расширялся с 13 микрометров до 21 после прохождения слоя краски, а луч с фронтом специальной формы расширялся с 10 микрометров лишь до 14.
Физики отмечают, что данный метод работает только в случае непоглощающих излучение сред, а для его успешного применения требуется настройка под каждый конкретный материал. «Мы думали дополнить наш подход системой машинного обучения для быстрой настройки системы после нескольких измерений и получения правильного волнового фронта, — подытоживает Цао. — По-видимому, настройка под конкретную ситуацию будет требоваться всегда. Вопрос состоит в том, насколько быстро мы сможем это делать».
Лазеры давно стали широко распространенными устройствами в науке, а технологии на их основе прочно вошли как в быт людей, так и в промышленность. В 2018 году Нобелевская премия по физике уже не в первый раз была вручена за связанные с лазерами работы, о чем мы подробно писали в прошлом году в материале «Скальпель и пинцет».
Иллюстрация к статье:
Обсуждение