Созданы специальные световые волны, способные проникать в непрозрачные материалы.

Луч света проходит через турбулентную среду и отображает на детекторе то же изображение, которое будет обнаружено без среды. Предоставлено: Аллард Маск / Матиас Кохмайер.

Исследователи из Утрехтского университета и Венского технического университета (Вена) создают специальные световые волны, которые могут проникать даже в непрозрачные материалы, как если бы материала там не было.

Почему сахар непрозрачный? Потому что свет, проникающий через кусок сахара, очень сложным образом рассеивается, изменяется и отклоняется. Однако, поскольку исследовательская группа из Венского технического университета (Вена) и Утрехтского университета (Нидерланды) смогла продемонстрировать, существует класс очень особых световых волн, к которым это не относится: для любой конкретной турбулентной среды — например, сахара. куб, который вы, возможно, только что положили в свой кофе — Эта среда может создавать специально разработанные световые лучи, которые практически не изменяются, но только ослабляются. Луч света проникает в середину, а световой узор на другой стороне имеет такую ​​же форму как будто медиума вообще нет.

Идея «фиксированных схем рассеяния света» также может быть использована для особого изучения внутренней части объектов. Результаты опубликованы в журнале. Природа Фотоника.

Для сравнения: луч света без рассеяния. Предоставлено: Аллард Маск / Матиас Кохмайер.

Астрономическое количество возможных форм волны

Волны на турбулентной водной поверхности могут принимать бесконечное количество различных форм — аналогичным образом световые волны могут иметь бесчисленное множество различных форм. «Каждый образец световых волн изменяется и отклоняется очень специфическим образом, когда вы посылаете его через неорганизованную среду», — объясняет профессор Стефан Руттер из Института теоретической физики в Венском университете.

Стефан Раттер и его команда разрабатывают математические методы для описания эффектов рассеяния света. Команда, окружавшая профессора Алларда Маска из Утрехтского университета, предоставила знания, необходимые для создания и описания таких сложных оптических полей. «В качестве светорассеивающей среды мы использовали слой оксида цинка — непрозрачный белый порошок, состоящий из совершенно случайных наночастиц», — объясняет Аллард Маск, руководитель группы экспериментальных исследований.

Во-первых, вы должны четко различать этот слой. Вы пропускаете очень специфические световые сигналы через порошок оксида цинка и измеряете, как они достигают расположенного за ним детектора. Отсюда вы можете сделать вывод, как эта среда изменила любую другую волну — в частности, вы можете вычислить волновую картину, измененную этим слоем оксида цинка, как если бы рассеяние волн в этом слое полностью отсутствовало.

« Как мы смогли показать, существует совершенно особый класс световых волн — так называемые статические режимы рассеянного света, которые создают точно такую ​​же волновую картину в детекторе, независимо от того, проходила ли световая волна только через воздух проникает в сложный слой оксида цинка », — говорит Стефан Руттер. «В ходе эксперимента мы видим, что оксид цинка на самом деле вообще не меняет форму этих световых волн — в целом они становятся немного слабее», — объясняет Аллард Маск.

Созвездие звезды в светоприемнике

Поскольку эти неизменные виды света различны и редки, с теоретически возможным бесконечным числом световых волн, все же можно найти многие из них. И если вы правильно скомбинируете несколько из этих неизменных режимов света, вы снова получите неизменную форму волны рассеяния.

«Таким образом, по крайней мере, в определенных пределах, вы можете совершенно свободно выбирать, какое изображение вы хотите отправить через объект без помех», — говорит Йерун Бош, который работал над экспериментом в качестве аспиранта. ученик. «Для эксперимента мы выбрали созвездие в качестве примера: Большая Медведица. Действительно, было возможно определить волну статического рассеяния, которая отправляет изображение Большой Медведицы на детектор, независимо от того, рассеивается ли световая волна на детекторе. слой оксида цинка или нет. Примерно так или иначе «.

Загляните внутрь темницы

Этот метод также можно использовать для поиска световых паттернов, которые проникают в объект, не нарушая процедуры визуализации. «В больницах рентгеновские лучи используются, чтобы заглядывать внутрь тела — они имеют более короткую длину волны и поэтому могут проникать через нашу кожу. Но то, как световая волна проникает во что-то, зависит не только от длины волны, но и от формы волны», — говорит Маттиас Кохмайер, который работает. Имеет докторскую степень. Студент компьютерного моделирования распространения волн. «Если вы хотите сфокусировать свет внутри объекта в определенных точках, наш метод открывает совершенно новые возможности. Используя наш подход, также можно специально контролировать распределение света в слое оксида цинка». Это может быть интересно для биологических эксперименты, например, когда вы хотите направить свет в очень определенные точки, чтобы заглянуть глубоко внутрь клеток.

Совместная публикация ученых из Нидерландов и Австрии показывает, насколько важно международное сотрудничество между теорией и опытом для развития этой области исследований.

Ссылка: «Дисперсия фиксированных узоров света в сложных средах» Притам Бэй, Йерун Бош, Маттиас Кохмейер, Стефан Раттер и Аллард П. Маск, 8 апреля 2021 г., Природа Фотоника.
DOI: 10.1038 / s41566-021-00789-9