Може ли самата светлина да хвърля сянка? Може да звучи като философска загадка, но изследователи са установили, че при определени условия лазерен лъч може да действа като непрозрачен обект и да хвърля сянка. Откритието поставя под въпрос традиционното разбиране за сенките и открива нови възможности за технологии, които биха могли да използват лазерен лъч за управление на друг лазерен лъч.

„Лазерната светлина, хвърляща сянка, досега се смяташе за невъзможна, тъй като светлината обикновено преминава през друга светлина, без да взаимодейства“, казва ръководителят на изследователския екип Рафаел А. Абрахао от Националната лаборатория „Брукхейвън“, който преди това е работил в Университета в Отава. „Нашата демонстрация на един много контраинтуитивен оптичен ефект ни приканва да преразгледаме представата си за сянката.“

Изследователите описват как са използвали рубинов кристал и специфични лазерни дължини на вълните, за да покажат, че лазерен лъч може да блокира светлината и да създаде видима сянка поради нелинеен оптичен процес. Този ефект възниква, когато светлината взаимодейства с даден материал по начин, зависещ от интензивността, и може да повлияе на друго оптично поле.

„Разбирането ни за сенките се развива успоредно с разбирането ни за светлината и оптиката“, казва Абрахао. „Това ново откритие може да се окаже полезно за различни приложения, като например оптично превключване, устройства, при които светлината контролира присъствието на друга светлина, или технологии, които изискват прецизен контрол на светлинното предаване, като например мощни лазери.“

Новото изследване е част от по-широкообхватно проучване на начина, по който един светлинен лъч взаимодейства с друг светлинен лъч при специални условия и нелинейни оптични процеси.

Идеята започнала по време на разговор по време на обяд, когато било изтъкнато, че някои експериментални схеми, направени със софтуер за 3D визуализация, изобразяват сянката на лазерен лъч, защото го третират като цилиндър, без да отчитат физиката на лазерния лъч. Някои от учените се запитаха: Може ли това да се направи в лаборатория?

„Това, което започна като забавна дискусия по време на обяд, доведе до разговор за физиката на лазерите и нелинейната оптична реакция на материалите“, казва Абрахао. „Оттам решихме да проведем експеримент, за да демонстрираме сянката на лазерен лъч.“

За целта изследователите насочват високомощен зелен лазер през куб, изработен от стандартен рубинов кристал, и го осветяват със син лазер отстрани. Когато зеленият лазер навлиза в рубина, той локално променя реакцията на материала спрямо синята дължина на вълната. Зеленият лазер действа като обикновен обект, докато синият лазер действа като осветление.

Взаимодействието между двата светлинни източника създаде сянка върху екрана, която се виждаше като тъмна област, където зеленият лазер блокираше синята светлина. Тя отговаряше на всички критерии за сянка, тъй като беше видима с просто око, следваше контурите на повърхността, върху която падаше, и следваше положението и формата на лазерния лъч, който действаше като обект.

Ефектът на лазерната сянка е следствие от оптично нелинейно поглъщане в рубина. Ефектът се получава, защото зеленият лазер увеличава оптичното поглъщане на синия осветяващ лазерен лъч, създавайки съвпадаща област в осветяващата светлина с по-нисък оптичен интензитет. Резултатът е по-тъмна област, която изглежда като сянка на зеления лазерен лъч.

Изследователите измерват експериментално зависимостта на контраста на сянката от мощността на лазерния лъч, като установяват максимален контраст от приблизително 22%, подобен на контраста на сянката на дърво в слънчев ден. Те също така разработиха теоретичен модел и показаха, че той може точно да предскаже контраста на сянката.

Изследователите казват, че от технологична гледна точка демонстрираният от тях ефект показва, че интензивността на предавания лазерен лъч може да се контролира чрез прилагане на друг лазер. По-нататък те планират да изследват други материали и други дължини на лазерните вълни, които могат да предизвикат подобни ефекти.

Снимка: Unsplash/Optica

Виж още: Исландия може да получи слънчева енергия от Космоса през 2030 година