Физики сфокусировали импульс света непрозрачной средой

Почти непрозрачный и сильно рассеивающий свет материал обычно превращает вошедший в него короткий импульс в растянутый, слабый и размытый отблеск. Однако, учёные заставили такой пучок собраться во времени и пространстве.

Для света полупрозрачный материал – настоящий лабиринт. Разброс входящего пучка в такой среде никого не удивляет. Но вот обратный процесс – фокусировка в таком лабиринте падающего рассеянного потока – яркое достижение учёных (иллюстрация с сайта amolf.nl).

Йохен Аулбах (Jochen Aulbach) и его коллеги из голландского института атомной и молекулярной физики впервые экспериментально продемонстрировали комбинированный пространственный и временной контроль прохождения света через непрозрачную среду.

Исследователи использовали жидкокристаллический пространственный модулятор для управления пространственными степенями свободы волнового фронта, падающего на почти непрозрачный материал (слой краски). Источником света служил 64-фемтосекундный импульсный лазер.

С обратной стороны пластины детектор фиксировал интенсивность и временные параметры прошедшего сквозь тело импульса.

Эти данные направлялись в компьютер, который вычислял вмешательство образца и корректировал работу модулятора так, чтобы следующий импульс, пробившийся сквозь краску, оказался более сфокусированным.

Через 10 минут такого обучения программа смогла смодулировать падающий пучок так, что на выходе оказался свет не только сфокусированный, но и не слишком растянувшийся во времени, несмотря на очень извилистый путь, ведущий его через краску. Длительность вспышки составила 115 фемтосекунд. (Детали раскрывает статья, принятая к публикации в Physical Review Letters.)

Умение провести сквозь сильно рассеивающую среду ультракороткий импульс света открывает новые перспективы в зондировании и микроскопии, а также в нано-и биофотонике. Среди прочего, таким «пробиваемым» материалом может выступать кожа человека.

«Настраивая свет для путешествия через кожу, можно передавать короткие, интенсивные лазерные импульсы для уничтожения раковых клеток, оставляя нетронутыми здоровые клетки, находящиеся рядом», — объясняет New Scientist.

Группа рассеивания фотонов (Photon Scattering), участником которой является Аулбах, не первый год изучает прохождение света сквозь среду со случайным, неупорядоченным рассеиванием. Белая краска, яичная скорлупа, молоко, матовое стекло, биологические ткани, по идее, не позволяют видеть сквозь себя чёткие очертания предметов, даже если толика лучей способна пробить слой такого материала насквозь.

Но описанный выше «обходной манёвр» может использоваться, чтобы добиться невероятного результата: такая хаотичная среда способна фокусировать свет даже лучше, чем линза.

В ещё одной работе группа Photon Scattering при помощи опять же пространственного модулятора добилась того, что после прохождения тестовой пластины лучи света были сведены в пятно, в десять раз меньшее, чем позволял дифракционный предел.

Фактически, лабиринт из вещества, обычно «расталкивающий» фотоны куда придётся, с правильно настроенным входным потоком, напротив, аккуратно собирал их вместе. Для отображения мелких деталей живой клетки, а также для анализа наноматериалов, подобная невероятная фокусировка может оказаться очень ценной.

Принцип собирания света в лабиринте отражён на рисунке под заголовком, а внизу показана установка, использованная в опыте. (Детали этого эксперимента можно найти в статье в Nature Photonics.)

Ключевые части экспериментальной установки: 1 – пространственный модулятор, 2 – делитель луча, 3 – лазер, 4 – линзы, 5 – отверстия, 6 – образец, 7 – матрица цифровой камеры (иллюстрация I. M. Vellekoop et al./Nature Photonics).