Використання та контроль світла є життєво важливим для розвитку технологій, включаючи збір енергії, обчислення, комунікації та біомедичне зондування. Однак у сценаріях реального світу складність поведінки світла створює проблеми для ефективного керування ним. Фізик Андреа Алу порівнює поведінку світла в хаотичних системах з початковим ударом прориву в грі в більярд.
“У більярді невеликі зміни у способі запуску битка призведуть до різних моделей підстрибування куль по столу”, – сказав Алу, професор фізики Ейнштейна в Центрі аспірантури CUNY, директор-засновник Ініціативи з фотоніки в CUNY. Центр перспективних наукових досліджень та заслужений професор CUNY.
«Світлові промені діють аналогічним чином у хаотичній порожнині. Стає складно змоделювати, щоб передбачити, що станеться, тому що ви можете проводити експеримент багато разів з однаковими налаштуваннями та щоразу отримувати різну відповідь».
У новому дослідженні, опублікованому в Nature Physics, команда під керівництвом дослідників з CUNY Graduate Center описує нову платформу для контролю хаотичної поведінки світла шляхом адаптації моделей його розсіювання за допомогою самого світла. Проєкт очолювали співавтори Сюефен Цзян, колишній докторський науковий співробітник лабораторії Алу, який зараз є доцентом кафедри фізики в Університеті Сетон-Холл, і Шисюнг Інь, аспірант лабораторії Алу.
Звичайні платформи для вивчення поведінки світла зазвичай використовують резонансні порожнини круглої або правильної форми, в яких світло відбивається та розсіюється за більш передбачуваними моделями. У круглій порожнині, наприклад, виживають лише передбачувані та чіткі частоти (кольори світла), і кожна підтримувана частота пов’язана з певним просторовим малюнком або режимом.
Одного режиму на одній частоті достатньо, щоб зрозуміти фізику, що діє в круглій порожнині, але цей підхід не розкриває всю складність поведінки світла, яку можна побачити на складних платформах, сказав Джаінг.
«У порожнині, яка підтримує хаотичні шаблони світла, будь-яка окрема частота, введена в порожнину, може збуджувати тисячі світлових шаблонів, що, як заведено вважати, прирікає шанси контролювати оптичну реакцію», — сказав Джаінг. «Ми продемонстрували, що можна контролювати цю хаотичну поведінку».
Щоб розв’язувати цю проблему, команда розробила велику порожнину у формі стадіону з відкритим верхом і двома каналами на протилежних сторонах, які спрямовують світло в порожнину. Коли вхідне світло розсіюється від стін і відскакує навколо, камера вгорі записує кількість світла, що виходить зі стадіону, і його просторові моделі.
Пристрій має ручки з боків для керування інтенсивністю світла на двох входах і затримкою між ними. Протилежні канали змушують світлові промені взаємодіяти один з одним у порожнині стадіону, дозволяючи контролювати розсіювання одного променя іншим за допомогою процесу, відомого як когерентне керування — по суті, використання світла для керування світлом, за словами Алу. Регулюючи відносну інтенсивність і затримку променів світла, що входять у два канали, дослідники послідовно змінювали картину випромінювання світла поза порожниною.
Цей контроль був можливий завдяки рідкісній поведінці світла в резонансних порожнинах, званих «режимами безвідбивного розсіювання» (RSM), які були теоретично передбачені раніше, але не спостерігалися в системах оптичних порожнин. За словами Іня, здатність маніпулювати RSM, продемонстрована в цій роботі, дозволяє ефективно збуджувати та контролювати складні оптичні системи, що має наслідки для зберігання енергії, обчислень та обробки сигналів.
«Ми виявили, що на певних частотах наша система може підтримувати два незалежні RSM, що перекриваються, завдяки чому все світло потрапляє в порожнину стадіону без відбиття назад до наших портів каналів, таким чином забезпечуючи його контроль», — сказав Їнь. «Наша демонстрація стосується оптичних сигналів у межах смуги пропускання оптичних волокон, які ми використовуємо в повсякденному житті, тому це відкриття відкриває новий шлях для кращого зберігання, маршрутизації та контролю світлових сигналів у складних оптичних платформах».
Дослідники прагнуть включити додаткові ручки в майбутні дослідження, пропонуючи більше ступенів свободи для розгадки подальших складнощів у поведінці світла.