Инженеры создают трёхмерные «оптические узлы», управляя лазерными лучами
Хотя узлы обычно ассоциируются со шнурками или запутанными шнурами, исследователи продемонстрировали, что их можно формировать и с помощью лазерных лучей. В недавнем исследовании, в журнале Nature Communications, инженеры из Университета Дьюка успешно манипулировали лазерными лучами для создания сложных трехмерных узоров, известных как оптические узлы.
Точно формируя и накладывая друг на друга лазерные лучи, команда создала стационарные световые структуры, которые могут кодировать информацию и взаимодействовать с окружающей средой новыми способами. Это имеет большое значение для более безопасной коммуникации в таких системах, как голограммы.
«Раньше считалось, что, поскольку эти формы являются математически стабильными объектами, они должны быть способны передавать информацию через сложные среды без каких-либо осложнений», — сказала в недавнем заявлении Наталья Личиницер, профессор электротехники и вычислительной техники в Дьюке. «Как оказалось, их стабильность не гарантирована, но мы можем сделать их более стабильными».
Что такое оптические узлы?
Физики создают оптические узлы с помощью замысловатых узоров, созданных путем наложения лазерных лучей нужным образом, образуя в трехмерном пространстве фигуры, похожие на закрученные петли или дымовые кольца, сделанные из самого света. Открытые всего два десятилетия назад, оптические узлы все еще являются молодой областью исследований. Но они уже показали перспективность для всевозможных футуристических применений — от безопасной передачи информации до улавливания крошечных частиц в трехмерном пространстве.
Испытание узлов в турбулентном воздухе
В новом эксперименте инженеры Университета Дьюка хотели выяснить: могут ли эти световые узлы сохраняться в реальных условиях, например, в турбулентном воздухе? Ведь если их планируется использовать для передачи данных или измерения атмосферных явлений, они должны быть устойчивыми.
Чтобы создать узел, команда разработала своего рода голографическую световую полосу, которая разделяет один лазерный луч на пять отдельных лучей. Когда эти лучи сходятся, они образуют оптический узел в пространстве. Затем они попробовали послать этот узел через турбулентный воздух, чтобы посмотреть, что произойдет.
Но была одна проблема: у команды не было доступа к большому открытому полигону, как у их коллег из Южной Африки (которые проводили испытания между зданиями). Вместо этого исследователи из Дьюка собрали настольный симулятор турбулентности.
«Мы использовали устройство размером с тостер, с нагревательной плитой внизу и вентиляторами для создания турбулентности», — рассказал Данило Гомес Пирес, постдокторант в лаборатории Натальи Личиницер. «Затем мы сузили луч и направили его через несколько зеркал, имитируя полёт на расстояние почти 300 метров».
Результаты были восхитительными. Когда воздух был спокойным, узел сохранял свою сложную форму — три идеальные петли, сплетенные вместе. Но когда турбулентность усиливалась, узел начинал распутываться. В неспокойном воздухе узел терял свою форму и способность передавать данные.
Чтобы сделать узел более устойчивым, исследователи изменили его конструкцию на более сложную, добавив дополнительные витки и изгибы. Эти изменения дали узлу больше «опорных точек» - как в случае с американскими горками. Более сложные узлы оказались более прочными и лучше сохраняли свою форму в сложных условиях.
От безопасной связи до атмосферных датчиков
Способность придавать форму и стабилизировать оптические узлы открывает новые горизонты для технологий, хотя и находится на ранних стадиях. Информация может быть закодирована в форме узла и передаваться на большие расстояния, как голографическая азбука Морзе. Ученые также могут использовать узлы для измерения турбулентности в атмосфере, анализируя, как сильно меняется световой рисунок во время полета.
А поскольку эти узлы могут существовать в трех измерениях, их можно использовать для улавливания и манипулирования крошечными частицами в экспериментах по физике или биологии.
«Прежде чем мы сможем использовать оптические узлы для каких-либо целей, мы должны по-настоящему изучить их и понять, как они себя ведут», — говорит Личиницер. «Наша работа — первая демонстрация распространения через реальную турбулентность, поэтому мы можем сделать следующий шаг и увеличить масштаб, чтобы продолжить изучение того, как они работают в свободном пространстве».