Кривой луч зажигает плазму и большие надежды

Лазерный луч, сгибающийся непосредственно в воздухе, да так, словно рядом находится какая-нибудь крошечная чёрная дыра, учёные создают не впервые. Но в новой работе имеется достаточно новизны, чтобы о ней заговорили ведущие СМИ. И даже принялись размышлять о всевозможных практических применениях открытия — от исследований до оружия. Последнее, по ряду соображений, не выглядит сколь-нибудь реальным. Но и без него "согнутому" лазеру найдётся работа.

Профессор Павел Полынкин (Pavel Polynkin) и его коллеги из университета Аризоны в Тусоне — Мирослав Колесик (Miroslav Kolesik) и Джером Молони (Jerome V. Moloney) – вместе с физиками из университета Центральной Флориды (University of Central Florida) Георгиосом Сивилоглоу (Georgios A. Siviloglou) и Деметриосом Кристодоулидесом (Demetrios N. Christodoulides) впервые на опыте показали, как при помощи криволинейного луча лазера можно создавать криволинейные же плазменные каналы в воздухе, о чём группа исследователей отчиталась в своей статье в Science.

Достижение, вызвавшее восторги даже у специалистов, а уж у широкой публики — тем паче, показывает, что современная техника может вытворять с давно изученным, казалось бы, светом. Но мы начнём, пожалуй, от печки.

А печкой был британский астроном и математик Джордж Эйри (George Airy), который ещё в XIX веке теоретически доказал, что возможно создание криволинейных лучей света. Не преломляющихся в среде с переменной плотностью (как в случае пустынных миражей, например), а искривляющихся сами по себе. Такие лучи потом и назвали лучами Эйри (Airy beam). Если точнее — Джордж вывел уравнения, описывающие поведение таких волн, а предсказали их реальную выполнимость (используя уже законы квантовой механики) физики Майкл Берри (Michael Berry) и Нэндор Балаш (Nandor Balazs) ещё в 1979 году (вот их статья в American Journal of Physics).

"Гнутся" лучи Эйри потому, что на деле состоят из целой комбинации волн: одна — ведущая волна, несёт большую часть интенсивности общего луча. Другие — более слабые, "завершающие" волны, и каждая отстаёт от предыдущей на половину длины волны. "Завершающих волн" очень много, а интенсивность каждой из них падает по мере отдаления от главной волны.

Все эти составляющие влияют друг на друга так, что ведущая волна искривляется в одну сторону, а хвостовые волны — в противоположную. При этом луч Эйри практически не испытывает дифракции, то есть он не рассеивается по мере отдаления от источника даже на таком расстоянии, на котором обычный лазерный луч уже ощутимо увеличил бы своё сечение.

Впервые луч Эйри был создан в 2007 году группой американских физиков, среди которых были наши нынешние персонажи — Сивилоглоу и Кристодоулидес.

Первый луч Эйри, созданный Кристодоулидесом, Сивилоглоу и их коллегами в 2007-м, на 35-сантиметровом пути отклонялся на 1 миллиметр. Вверху показана компьютерная симуляция такого кривого луча, на которой хорошо видны "хвостовые" волны, уходящие в противоположную от "главной артерии" сторону.

Интересно, что после создания одномерного луча Эйри (то есть со шлейфом в одной плоскости) физики тут же сотворили двухмерный луч, в котором присутствовало два пакета вторичных волн, уходящих в двух перпендикулярных плоскостях. В сумме эти пакеты вызывали отклонение главной волны по диагонали (нижний рисунок – поперечное сечение, и врезка – трёхмерная модель пучка, показывающая интенсивность его исходных лучиков) (иллюстрации Georgios Siviloglou, et al.).

Экспериментаторы использовали пространственный модулятор света на основе быстродействующей ЖК-матрицы на 500 тысяч пикселей. Она по команде компьютера организовывала просто филигранную корректировку фаз для целой армии лучиков (для каждого — индивидуально), сплетавшихся в результате в общий луч Эйри, который, в свою очередь, прекрасно изогнулся дугой в воздухе, в полном соответствии с теорией.

(Детали той работы можно найти в статье в Physical Review Letters, а ещё — в материалах Focus и PhysOrg.com.)

Далее создавать лучи Эйри при помощи сравнительно слабых лазеров научились в других лабораториях и институтах. Так, в прошлом году британские физики из университета Сент-Эндрю (University of St. Andrews) сумели приспособить такой кривой луч для переноса микроскопических объектов по дуге. Согнутый свет, словно снегоочиститель, перебрасывал микроскопические шарики через стенку, разделяющую две камеры (о необычном опыте рассказал PhysOrg.com).

Это свойство луча Эйри (выступающего искривлённым аналогом светового пинцета) может быть использовано для сортировки микро— и наночастиц, управления микропотоками жидкостей или отбора живых клеток, в общем — пригодится во многих областях, рассудили учёные.

А вот нынешняя команда "сгибателей" задумала вывести лучи Эйри из лабораторных стен на открытые просторы. Зачем — скажем чуть позже.

Итак, в чём прорыв? Физики впервые применили для создания луча Эйри не слабый постоянный лазер, а очень мощный импульсный (титан-сапфировый, с длительностью импульса в 35 фемтосекунд). Настолько мощный, что он вызвал ионизацию воздуха и создал плазменный канал в форме дуги.

Схема опыта британцев по транспортировке микрочастиц за угол при помощи луча Эйри (иллюстрация с сайта physorg.com).

При этом отклонение нового луча Эйри достигло 5 миллиметров на 60-сантиметровом отрезке "пробега" через воздух. А для его генерации исследователи применили, как и в предыдущих опытах, набор из маски, модулирующей матрицы и объектива, которые разбивали исходный пучок лазера на множество, составляющее суммарный луч Эйри.

Излучение плазмы, созданной таким лазером, несёт в себе информацию о веществах, попавших под обстрел. Этим и раньше пользовались физики, генерируя плазменный канал и направляя суммарный луч на спектрометр. Но результирующее излучение в таком случае всегда приходит в одну и ту же точку как от молекул, находящихся ближе к лазерному источнику, так и от молекул, расположенных дальше вдоль луча. Это позволяет определить не состав газов "по слоям", а только общий состав на всем протяжении плазменного канала.

А вот кривой луч может это сделать. Ведь вторичные волны от каждого фрагмента дуги будут приходить в разные точки детектора. Так возможно при помощи одного достаточно мощного луча Эйри просветить земную атмосферу, собрав спектры газов на разных её высотах по отдельности или (если луч идёт горизонтально) — в разных районах.

Сохранение же высокой интенсивности главной части луча Эйри на большом расстоянии может привести к ещё одному любопытному применению достижения — вызыванию искусственных молний.

Кривой плазменный канал. По вертикали – отклонение от прямой линии в миллиметрах, по горизонтали – путь в сантиметрах, цветная шкала – интенсивность (фото Science).

Об этом говорит Джером Каспарян (J?r?me Kasparian) из группы биофотоники (Biophotonics Group) университета Женевы. Джером не участвовал в "сегодняшнем" открытии, но охотно его прокомментировал, поскольку сам давно работает над созданием плазменных каналов между лазерной установкой на земле и облаками в небе. С их помощью учёные надеются научиться защищать сооружения от молний.

В 2004 году Каспарян проводил интересный опыт во время грозы в Нью-Мексико. В разгар буйства грозовых разрядов он посылал с земли в тучи мощные импульсы лазера по 10 раз в секунду. Необходимый канал так и не был создан — искусственной молнии не получилось, но учёные фиксировали всплески электрической активности в атмосфере синхронно со вспышками лазера, что говорило о сильном влиянии луча на атмосферу.

Кривой луч мог бы тут сделать большой шаг вперёд. Не из-за своей кривизны, заметим, а из-за почти полного отсутствия рассеивания, а значит — сохранения высокой плотности светового потока на большом расстоянии.

Тут необходимо краткое отступление. У идеального луча Эйри дифракции вообще нет. И его основной пучок сохраняет диаметр и интенсивность на любом расстоянии от источника. Но для создания такого идеального луча необходимо... бесконечное число "хвостовых" лучиков.

Посмотрите ещё раз на разрез лучей Эйри под заголовком и в тексте. Видите армию вторичных пятнышек, которые постепенно тают по мере отстранения от главной волны? Пусть интенсивность каждого такого лучика по мере увеличения его порядкового номера быстро падает, общее число этих точек должно быть бесконечным (как должна быть бесконечной и общая энергия, передаваемая в идеальном луче Эйри).

Главные герои дня – Полынкин (вверху) и Кристодоулидес (фотографии с сайтов arizona.edu и ucf.edu).

Заслуга Кристодоулидеса и его товарищей в работе 2007 года заключалась как раз в том, что они на опыте показали: для создания очень близкого подобия идеального луча Эйри достаточно разумного числа вторичных лучиков (это те самые тысячи пикселей на модулирующей матрице).

Почему же этот луч не расходится? Всё по той же причине, по которой он искривляется. Ведь фактически это не единый луч, а феерическая картина интерференции огромного числа слабых лучиков.

Да что там расхождение, луч Эйри даже через непрозрачные препятствия может проникать, лишь бы вторичный шлейф проходил в стороне. Главный пучок при этом бесследно гибнет. Но армия "поддерживающих" его потоков мгновенно восстанавливает главную волну сразу за препятствием, из-за чего кажется, что для луча Эйри оно прозрачно.

Это означает, что лучу Эйри будут не страшны капли дождя. А Каспаряну только того и надо, чтобы "достучаться до облаков". Он уже мечтает о кривых молниях, огибающих стороной стадионы и электростанции. О том же потенциальном применении нового открытия говорит и один из его авторов — Малоуни.

А Ян Уолмсли (Ian Walmsley) из Оксфорда (University of Oxford) рассуждает о том, как на основе кривого лазерного луча и порождённого им искривлённого плазменного канала можно создать новое поколение коллайдеров, которые будут намного компактнее нынешних. Или такой свет можно приспособить для передачи информации в оптических чипах. В общем, перспективы "кривого света" — очень широки.

Мы же будем ждать, кто первый сумеет завязать луч узлом.