Тінь світла
Тінь світла
Люди досліджували світло й тінь тисячоліттями. В результаті цих досліджень тінь почали визначати як темну ділянку на поверхні, де світло блокується об’єктом. Весь час, незалежно від того, чи є об’єкт твердим, газоподібним чи рідким, чи є він непрозорим чи напівпрозорим, неявно припускалося, що він матеріальний, тобто зроблений із якогось звичайного фізичного об’єкта з масою.
Проте, в новій роботі [1] канадські вчені демонструють незвичайний приклад — тінь, відкинуту лазерним променем. При цьому, тінь, яку вони спостерігають, має звичайні характеристики типової тіні, створеної матеріальним об’єктом. Зокрема, тінь відповідає критеріям: (i) це масштабний ефект, який (ii) видно оком на звичайних поверхнях. Крім того, (iii) це пов’язано з тим, що об’єкт блокує світло освітлення, і, таким чином, (iv) тінь набуває форму освітленого об’єкта та (v) слідує за тим, як об’єкт змінює положення або форму. Нарешті, (vi) тінь повторює контур об’єкта, на який вона падає, створюючи відчуття тривимірності.
В якості об'єкта дослідники використовують потужний (5 - 18 Вт) зелений (532 нм) лазерний промінь. Цей «об’єктний» промінь проходить через кристал рубіна кубічної форми. Збоку цей куб рубіна підсвічують слабким синім променем. Дослідники спостерігають тінь від об’єктного променя, відкинуту на аркуш паперу. Лазерна тінь простягається через всю грань рубінового куба довжиною близько 1,2 см, підтверджуючи макроскопічний масштаб, критерій (i). Зображення можна бачити оком і сфотографувати звичайною камерою, критерій (ii). Тінь повторює контури глибини сцени, наприклад, заокруглену поверхню маркера, поставленого перед папером, та плоский папір за ним, підтверджуючи критерій (vi). Виконання решти критеріїв також доведено в роботі.
За звичайних обставин фотони не взаємодіють один з одним і тим більше не блокують один одного, як це необхідно для утворення тіні. Однак фотон-фотонна взаємодія все ж може відбуватися в деяких випадках. За екстремальних оптичних інтенсивностей було передбачено, що поле може поляризувати вакуум і таким чином впливати на інше поле. Було показано, що у спеціально підготовлених газах (наприклад, атомів Рідберга) великі атомні диполі забезпечують взаємодію фотонів. Поєднання бозонної статистики та квантової інтерференції може призвести до згрупування фотонів разом, наприклад, в інтерференції Хонга–Оу–Мендела. Ефект лазерної тіні також може виникати внаслідок різноманітних нелінійно-оптичних явищ, у яких речовина нелінійно реагує на прикладене оптичне поле, а потім може впливати на інше поле. Дослідники доводять, що спостережуваний ними ефект тіні відрізняється від усіх вищевказаних випадків.
Фізична суть ефекту тіні пояснюється структурою енергетичних рівнів атомів рубіна. Об’єктний лазерний промінь (532 нм) спричинює перехід з основного стану 4A2 в збуджений стан 4T2, який потім швидко релаксує через фонони до стану 2E. Це дозволяє електронам поглинати синє світло (450 нм), шляхом переходу з 2E на 2T1. Однак синє світло (450 нм) також може бути поглинене електронами з рівня 4A2 з переходом на якийсь інший рівень. Ефект тіні проявиться лише в тому випадку, якщо переріз поглинання другого переходу (з 2E на 2T1) буде більшим, ніж переріз першого переходу (з 4A2 на 4T2), що є особливим випадком, який реалізується в рубіні. Автори прогнозують, що аналогічний ефект можна буде спостерігати в кристалі александриту.
Експериментально виміряна залежність контрасту тіні від потужності лазерного променя має максимум приблизно 22%, подібно до тіні дерева в сонячний день. У роботі запропоновано теоретичну модель, яка передбачає контраст тіні. Робота відкриває нові можливості для керування світлом за допомогою світла.
1. Raphael A. Abrahao, Henri P. N. Morin, Jordan T. R. Pagé, Akbar Safari, Robert W. Boyd, and Jeff S. Lundeen. Shadow of a laser beam. Optica 11, 1549-1555 (2024), https://doi.org/10.1364/OPTICA.534596