Кривой луч зажигает плазму и большие надежды

Лазерный луч, сгибающийся конкретно в воздухе, да так, как будто бы рядом находится какая-нибудь маленькая чёрная дыра, учёные создают не в первый раз. Но в новой работе имеется достаточно новизны, дабы о ней заговорили ведущие СМИ. А также принялись думать о всевозможных практических применениях открытия — от изучений до оружия.

Последнее, по последовательности мыслей, не выглядит сколь-нибудь настоящим. Но и без него «согнутому» лазеру найдётся работа.

Доктор наук Павел Полынкин (Pavel Polynkin) и его коллеги из университета Аризоны в Тусоне — Мирослав Колесик (Miroslav Kolesik) и Джером Молони (Jerome V. Moloney) – вместе с физиками из университета Центральной Флориды (University of Central Florida) Георгиосом Сивилоглоу (Georgios A. Siviloglou) и Деметриосом Кристодоулидесом (Demetrios N. Christodoulides) в первый раз на опыте продемонстрировали, как при помощи криволинейного луча лазера возможно создавать криволинейные же плазменные каналы в воздухе, о чём несколько исследователей отчиталась в собственной статье в Science.

Достижение, привёдшее к восторгам кроме того у экспертов, а уж у широкой публики — тем паче, говорит о том, что современная техника может вытворять с в далеком прошлом изученным, казалось бы, светом. Но мы начнём, пожалуй, от печки.

А печкой был математик и британский астроном Джордж Эйри (George Airy), что ещё в десятнадцатом веке теоретически доказал, что вероятно создание криволинейных лучей света. Не преломляющихся в среде с переменной плотностью (как при пустынных миражей, к примеру), а искривляющихся сами по себе. Такие лучи позже и назвали лучами Эйри (Airy beam).

В случае если правильнее — Джордж вывел уравнения, обрисовывающие поведение таких волн, а предсказали их настоящую выполнимость (применяя уже законы квантовой механики) физики Майкл Берри (Michael Berry) и Нэндор Балаш (Nandor Balazs) ещё во второй половине 70-ых годов двадцатого века (вот их статья в American Journal of Physics).

«Гнутся» лучи Эйри вследствие того что на деле складываются из целой комбинации волн: одна — ведущая волна, несёт солидную часть интенсивности неспециализированного луча. Другие — более не сильный, «завершающие» волны, и любая отстаёт от прошлой на половину длины волны. «Завершающих волн» довольно много, а интенсивность каждой из них падает по мере отдаления от основной волны.

Все эти составляющие воздействуют друг на друга так, что ведущая волна искривляется в одну сторону, а хвостовые волны — в противоположную. Наряду с этим луч Эйри фактически не испытывает дифракции, другими словами он не рассеивается по мере отдаления от источника кроме того на таком расстоянии, на котором простой лазерный луч уже ощутимо увеличил бы собственное сечение.

В первый раз луч Эйри был создан в 2007 году группой американских физиков, среди которых были отечественные нынешние персонажи — Сивилоглоу и Кристодоулидес.

Кривой луч зажигает плазму и большие надежды

Первый луч Эйри, созданный Кристодоулидесом, Сивилоглоу и их сотрудниками в 2007-м, на 35-сантиметровом пути отклонялся на 1 миллиметр.

Вверху продемонстрирована компьютерная симуляция для того чтобы кривого луча, на которой прекрасно видны «хвостовые» волны, уходящие в противоположную от «основной артерии» сторону.Примечательно, что по окончании создания одномерного луча Эйри (другими словами со шлейфом в одной плоскости) физики тут же сотворили двухмерный луч, в котором находилось два пакета вторичных волн, уходящих в двух перпендикулярных плоскостях. В сумме эти пакеты приводили к отклонению основной волны по диагонали (нижний рисунок – поперечное сечение, и врезка – трёхмерная модель пучка, показывающая интенсивность его исходных лучиков) (иллюстрации Georgios Siviloglou, et al.).

Экспериментаторы применяли пространственный модулятор света на базе быстродействующей ЖК-матрицы на 500 тысяч пикселей. Она по команде компьютера организовывала легко филигранную корректировку фаз для целой армии лучиков (для каждого — лично), сплетавшихся в следствии в неспециализированный луч Эйри, что, со своей стороны, замечательно изогнулся дугой в воздухе, в полном соответствии с теорией.

(Подробности той работы возможно отыскать в статье в Physical Review Letters, а ещё — в материалах Focus и PhysOrg.com.)

Потом создавать лучи Эйри при помощи относительно не сильный лазеров обучились в других институтах и лабораториях. Так, в прошедшем сезоне английские физики из университета Сент-Эндрю (University of St. Andrews) сумели приспособить таковой кривой луч для переноса микроскопических объектов по дуге.

Согнутый свет, как будто бы снегоочиститель, перебрасывал микроскопические шарики через стенку, разделяющую две камеры (о необыкновенном опыте поведал PhysOrg.com).

Это свойство луча Эйри (выступающего искривлённым аналогом светового пинцета) возможно использовано для сортировки микро- и наночастиц, управления микропотоками жидкостей либо отбора живых клеток, в общем — понадобится во многих областях, рассудили учёные.

А вот нынешняя команда «сгибателей» задумала вывести лучи Эйри из лабораторных стен на открытые просторы. Для чего — скажем чуть позднее.

Итак, в чём прорыв? Физики в первый раз применили для луча Эйри не не сильный постоянный лазер, а весьма замечательный импульсный (титан-сапфировый, с длительностью импульса в 35 фемтосекунд). Так замечательный, что он привёл к ионизации воздуха и создал плазменный канал в форме дуги.

Схема опыта англичан по транспортировке микрочастиц за угол при помощи луча Эйри (иллюстрация с сайта physorg.com).

Наряду с этим отклонение нового луча Эйри достигло 5 миллиметров на 60-сантиметровом отрезке «пробега» через воздушное пространство. А для его генерации исследователи применили, как и в прошлых опытах, комплект из маски, модулирующей объектива и матрицы, каковые разбивали исходный пучок лазера на множество, составляющее суммарный луч Эйри.

Излучение плазмы, созданной таким лазером, несёт в себе данные о веществах, попавших под обстрел. Этим и раньше пользовались физики, генерируя плазменный канал и направляя суммарный луч на спектрометр. Но результирующее излучение при таких условиях постоянно приходит в одну и ту же точку как от молекул, находящихся ближе к лазерному источнику, так и от молекул, расположенных дальше на протяжении луча.

Это разрешает выяснить не состав газов «по слоям», а лишь неспециализированный состав на всем протяжении плазменного канала.

А вот кривой луч может это сделать. Так как вторичные волны от каждого фрагмента дуги будут приходить в различные точки детектора. Так вероятно при помощи одного достаточно замечательного луча Эйри просветить земную воздух, собрав спектры газов на различных её высотах по отдельности либо (в случае если луч идёт горизонтально) — в различных районах.

Сохранение же высокой интенсивности основной части луча Эйри на громадном расстоянии может привести к ещё одному интересному применению успехи — вызыванию неестественных молний.

Кривой плазменный канал. По вертикали – отклонение от прямой линии в миллиметрах, по горизонтали – путь в сантиметрах, цветная шкала – интенсивность (фото Science).

Об этом говорит Джером Каспарян (Jerome Kasparian) из группы биофотоники (Biophotonics Group) университета Женевы. Джером не принимал участие в «сегодняшнем» открытии, но с радостью его прокомментировал, потому, что сам в далеком прошлом трудится над созданием плазменных каналов между лазерной установкой на земле и тучами в небе. С их помощью учёные сохраняют надежду обучиться защищать сооружения от молний.

В 2004 году Каспарян проводил увлекательный опыт на протяжении грозы в Нью-Мексико. В разгар буйства грозовых разрядов он отправлял с почвы в облака замечательные импульсы лазера по 10 раз в секунду. Нужный канал так и не был создан — неестественной молнии не получилось, но учёные фиксировали всплески электрической активности в воздухе синхронно со вспышками лазера, что сказало о сильном влиянии луча на воздух.

Кривой луч имел возможность бы тут сделать громадный ход вперёд. Не из-за собственной кривизны, увидим, а из-за практически полного отсутствия рассеивания, соответственно — сохранения высокой плотности светового потока на громадном расстоянии.

Тут нужно краткое отступление. У совершенного луча Эйри дифракции по большому счету нет. И его главный пучок сохраняет интенсивность и диаметр на любом расстоянии от источника.

Но для для того чтобы совершенного луча нужно… нескончаемое число «хвостовых» лучиков.

Посмотрите ещё раз на разрез лучей Эйри под заголовком и в тексте. Видите армию вторичных пятнышек, каковые неспешно тают по мере отстранения от основной волны? Пускай интенсивность каждого для того чтобы лучика по мере повышения его порядкового номера скоро падает, неспециализированное число этих точек должно быть нескончаемым (как должна быть нескончаемой и неспециализированная энергия, передаваемая в совершенном луче Эйри).

Главные храбрецы дня – Полынкин (вверху) и Кристодоулидес (фотографии с сайтов arizona.edu и ucf.edu).

Заслуга Кристодоулидеса и его товарищей в работе 2007 года заключалась именно в том, что они на опыте продемонстрировали: для весьма близкого подобия совершенного луча Эйри достаточно разумного числа вторичных лучиков (это те самые тысячи пикселей на модулирующей матрице).

Отчего же данный луч не расходится? Всё по той же причине, по которой он искривляется. Так как практически это не единый луч, а феерическая картина интерференции огромного числа не сильный лучиков.

Да что в том месте расхождение, луч Эйри кроме того через непрозрачные препятствия может попадать, только бы вторичный шлейф проходил в стороне. Основной пучок наряду с этим бесследно гибнет. Но армия «поддерживающих» его потоков мгновенно восстанавливает основную волну сходу за препятствием, почему думается, что для луча Эйри оно прозрачно.

Это указывает, что лучу Эйри будут не страшны капли дождя. А Каспаряну лишь того и нужно, дабы «достучаться до туч». Он уже грезит о кривых молниях, огибающих стороной электростанции и стадионы.

О том же потенциальном применении нового открытия говорит и один из его авторов — Малоуни.

А Ян Уолмсли (Ian Walmsley) из Оксфорда (University of Oxford) рассуждает о том, как на базе кривого лазерного луча и порождённого им искривлённого плазменного канала возможно создать новое поколение коллайдеров, каковые будут намного компактнее нынешних. Либо таковой свет возможно приспособить для передачи информации в оптических чипах. В общем, возможности «кривого света» — весьма широки.

Мы же будем ожидать, кто первый сумеет завязать луч узлом.

LA INMENSIDAD DE EL UNIVERSO — DOCUMENTAL NATIONAL GEOGRAPHIC,DOCUMENTALES NATIONAL GEOGRAPHIC


Темы которые будут Вам интересны: