Эти скрученные лучи могли бы когда-нибудь переносить информацию или измерять турбулентность воздуха, но исследователи обнаружили, что реальные условия, такие как турбулентность воздуха, могут искажать их больше, чем ожидалось. Чтобы бороться с этим, они изменили форму узла, сделав его более устойчивым, открыв новые пути для использования света неожиданными способами.
Лучи света тоже могут завязывать узлы
Узлы обычно образуются путем скручивания длинных гибких материалов, таких как шнурки или веревки, что делает идею завязывания узла в луче света невозможной.
Но исследователи нашли способ сделать именно это.
Представьте себе, что вы бросаете в пруд сразу несколько камней. Рябь расходится и в конечном итоге сталкивается, создавая сложную интерференционную картину. Теперь представьте, что вы можете точно контролировать скорость и форму каждой ряби. При тщательной координации вы можете создавать сложные трехмерные узоры прямо там, где волны пересекаются.
Ученые применяют этот же принцип к свету. Накладывая друг на друга несколько лазерных лучей — каждый из которых тщательно настроен и сформирован — и направляя их через ряд линз, они могут генерировать интерференционные узоры, которые создают стабильную трехмерную структуру, известную как оптический узел. Эти узоры напоминают тонкие паутины или кольца дыма, подвешенные в пространстве
Голографическая полоса разделяет свет, чтобы плести узлы
В недавней работе, опубликованной в Nature Communications and Photonics Research , инженеры из Университета Дьюка развили эту концепцию дальше.
Они разработали голографический элемент, который разделяет один лазерный луч на пять лучей индивидуальной формы, которые затем формируют строго контролируемый оптический узел.
Эту технику можно будет однажды использовать для кодирования информации или измерения турбулентности в воздухе, что откроет новые возможности для коммуникации и экологического зондирования.
«Прежде чем мы сможем использовать оптические узлы для каких-либо целей, нам нужно по-настоящему изучить их и понять, как они себя ведут».
Наталья Личиницер Профессор кафедры электротехники и вычислительной техники
Так ли стабильны оптические узлы, как мы думали?
Команда смогла показать, что информация, заложенная в этих оптических узлах, может выдержать воздействие составляющих ее лазеров, проходящих через турбулентный воздух, но не так легко, как первоначально полагали ученые.
«Люди думали, что поскольку эти формы являются математически стабильными объектами, они должны передаваться через сложные среды без каких-либо осложнений», — сказала Наталия
Личиницер, профессор электротехники и вычислительной техники в Университете Дьюка. «Как оказалось, они не гарантированно стабильны, но мы можем сделать их более стабильными».Испытания в настольной турбулентной камере
Чтобы получить этот результат, исследователям пришлось по сути использовать небольшую конвекционную печь.
Хотя можно имитировать лазер, проходящий через турбулентность, с помощью волоконно-оптических устройств, команда хотела воспроизвести реальную вещь на большом расстоянии.
Но в то время как их коллеги в Южной Африке имеют установку, охватывающую два отдельных здания, команда Дьюка была отнесена к одному столу размером со столовую.
«Мы использовали небольшое устройство размером с тостер с горячей плитой внизу и вентиляторами для создания турбулентности воздуха», — объяснил Данило Гомеш Пирес, ученый-постдокторант, работающий в лаборатории Личинитсера.
«Затем мы уменьшили световой луч и отразили его от нескольких зеркал, чтобы имитировать его прохождение почти 1000 футов».Разрыв узла: что происходит в турбулентном воздухе
Если бы лазерные лучи не были возмущены своим путешествием, то полученный узел должен был бы выглядеть как одна непрерывная, текучая струна с тремя петлями.
Но вместо этого исследователи обнаружили, что по мере того, как турбулентность становилась более интенсивной, узел с большей вероятностью распадался на два взаимосвязанных кольца или даже на одно кольцо, теряя всю содержащуюся в нем информацию.
Но они также обнаружили, что эта деградация не была неизбежной, и что они могли сделать узел стабильным дольше. Добавляя больше завитушек к его в остальном гладким особенностям — например, создавая сложную крутящуюся и поворачивающую водную горку вместо простого извилистого аттракциона — они создали больше контрольных точек для измерения в заданной плоскости.
Большой потенциал для крошечных узлов
Хотя завязывание оптических узлов все еще является технологией, находящейся в зачаточном состоянии (они были открыты всего около двух десятилетий назад), у нее есть несколько потенциальных применений.
Информация может быть закодирована в их формах и передана на большие расстояния. Измерение того, насколько узел нарушается при его перемещении, также может привести к способам измерения количества турбулентности, через которую он прошел. Исследователи также полагают, что сложность полученных узлов может быть использована для захвата и манипулирования крошечными частицами в трехмерном пространстве.
«Прежде чем мы сможем использовать оптические узлы для любого вида применения, мы должны действительно изучить их и понять, как они себя ведут», — сказал Личиницер. «Наша первая демонстрация распространения через реальную турбулентность, поэтому отсюда мы можем сделать следующий шаг и масштабировать его, чтобы продолжить изучение того, как они работают в свободном пространстве».
Комментариев нет:
Отправить комментарий