Исследователи обнаружили, что лазерный луч может отбрасывать тень, бросая вызов традиционному пониманию теней и открывая новые возможности для технологий, использующих лазерный луч для управления другим лазерным лучом.

«Раньше считалось, что лазерный свет, отбрасывающий тень, невозможен, поскольку лазерное излучение обычно не взаимодействует с другими источниками света. Наша демонстрация крайне контринтуитивного оптического эффекта побуждает пересмотреть представления о тени», — сказал Рафаэль А. Абрахао, руководитель исследовательской группы из Брукхейвенской национальной лаборатории.

Для эксперимента мощный зелёный лазер был направлен через рубиновый куб и освещён синим лазером сбоку. Зелёный лазер увеличивает оптическое поглощение синего освещающего лазерного луча, создавая соответствующую область в освещающем свете и более тёмную область, которая выглядит как тень зелёного лазерного луча.
Источник: RA Abrahao, HPN Morin, JTR Pagé, A. Safari, RW Boyd, JS Lundeen

Этот эффект возникает из-за нелинейного оптического процесса, когда свет взаимодействует с материалом в зависимости от интенсивности и может влиять на другое оптическое поле. В эксперименте исследователи использовали кристалл рубина и определённые длины волн лазера. Мощный зелёный лазер был направлен через куб из стандартного кристалла рубина и освещён синим лазером сбоку. Когда зелёный лазер попадает в рубин, он локально изменяет реакцию материала на синюю длину волны, действуя как обычный объект, а синий лазер действует как освещение.

«Наше понимание теней развивалось с нашим пониманием света и оптики. Это открытие может оказаться полезным в различных приложениях, таких как оптическая коммутация, устройства, в которых свет влияет на другие источники, или технологии, требующие точного управления передачей света, такие как мощные лазеры», — сказал Абрахао.

Идея эксперимента возникла когда было отмечено, что некоторые экспериментальные схемы, созданные с помощью программного обеспечения для 3D-визуализации, изображают тень лазерного луча, поскольку они рассматривают его как цилиндр, не принимая во внимание физику лазерного луча.

Исследователи показали, что лазерный луч иногда может выступать как твёрдый объект и отбрасывать тень, видимую невооружённым глазом. На снимке тень выглядит как горизонтальная линия, пересекающая синий фон.
Источник: RA Abrahao, HPN Morin, JTR Pagé, A. Safari, RW Boyd, JS Lundeen

«То, что началось как забавная дискуссия за обедом, переросло в разговор о физике лазеров и нелинейном оптическом отклике материалов. Отсюда мы решили провести эксперимент, чтобы продемонстрировать тень лазерного луча», — сказал Абрахао.

В результате взаимодействия между двумя источниками света на экране появилась тень, которая была видна как тёмная область, где зелёный лазер блокировал синий свет. Она соответствовала всем критериям тени, была видна невооружённым глазом, следовала контурам поверхности, на которую падала, и положению и форме лазерного луча, который действовал как объект. Эффект лазерной тени является следствием оптического нелинейного поглощения в рубине, где зелёный лазер увеличивает оптическое поглощение синего освещающего лазерного луча, создавая соответствующую область в освещающем свете с более низкой оптической интенсивностью.