Лазерна тінь: як світло може блокувати світло

Світлові промені зазвичай не перешкоджають один одному—фотони вільно проходять крізь фотони. Але нещодавні дослідження Рафаеля Абрахао та його колег (Optica 11, 1549 (2024)) показують дивовижний факт: лазерний промінь за певних умов може поводитися як матеріальний об’єкт, відкидаючи тінь від іншого джерела світла. Цей ефект стає можливим завдяки нелінійним оптичним властивостям деяких кристалів—зокрема, рубіну.

Як лазер може відкидати тінь?

Із шкільного курсу фізики відомо, що тінь виникає, коли непрозорий об’єкт блокує шлях світловому променю. Проте світло не має маси і, здавалося б, не може поводитися як тверде тіло. У випадку, який описують дослідники, зелений (532-нм) лазерний промінь “у взаємодії” з рубіном фактично утворює так званий поляритон—гібридний стан, у якому фотони “змішуються” із збудженнями атомів. Саме цей поляритон і може виступати немов “перешкода” для іншого світла.

Результат: якщо на цей “об’єктний” промінь в рубіні спрямувати друге світло, наприклад синій (450-нм) промінь широкого пучка, тоді зелений поляритон частково поглинатиме або “вирізатиме” синє світло, і ми побачимо тендітну темну смужку—тінь.

Лазерний промінь іноді може діяти як твердий об'єкт і відкидати тінь, видиму неозброєним оком. Тут тінь виглядає як горизонтальна лінія, що перетинає синій фон.

Фізика процесу: роль рубіну й ефекту зворотного насичення поглинання

Рубін— це кристал оксиду алюмінію (Al₂O₃) з домішками іонів Cr³⁺. Завдяки цим іонам він має цікаві оптичні властивості. При опроміненні рубіну зеленим лазером:

1. Іони Cr³⁺ переходять в збуджений стан.

2. Збуджені іони швидко переходять на проміжний енергетичний рівень, де можуть поглинати фотони синього світла.

У результаті в частині кристала, крізь яку проходить зелений промінь, створюється “смуга” з підвищеним поглинанням іншого світла. Такий процес у нелінійній оптиці відомий як зворотне насичення поглинання: замість того, щоб ставати прозорішим, матеріал стає більш поглинальним. Як наслідок, синій промінь, що перетинає цю область, затінюється.

Рубін

Практичне значення: від оптичних перемикачів до літографії

У сучасній оптиці дедалі частіше прагнуть керувати одним світловим променем за допомогою іншого. За словами Ендрю Форбса (Університет Вітватерсранда, Південна Африка), такі ефекти “кидають виклик” класичним уявленням про взаємодію фотонів та можуть мати широке застосування:

1. Оптичні перемикачі: використання одного лазера для часткового блокування іншого.

2. Прецизійна літографія та мікрообробка: формування складних шаблонів світла всередині або на поверхні матеріалів.

3. Високочутливі сенсори: вирізання “світлових масок” для покращеної візуалізації.

Таким чином, відкриття показує, що взаємодія лазерного світла з певними кристалами може відкрити новий простір для дослідження: світло може частково “матеріалізуватися” і виконувати роль “об’єкта”, котрий здатен затемнювати інше світло.

Висновок

Лазерна тінь є яскравим прикладом того, наскільки нелінійна оптика може змінювати традиційні уявлення про природу фотонів. По суті, ми бачимо тінь поляритонного стану, в якому частинки світла вступають у тісну взаємодію з атомами кристала й набувають властивостей, притаманних матеріальним об’єктам. Це дослідження відкриває можливості для створення нових оптичних технологій, які базуються на тому, що саме світло блокує інше світло.

Джерела:

1. R. A. Abrahão et al., “Laser beam shadow,” Optica 11, 1549 (2024).