Использование света и управление им имеет огромное значение для развития технологий, включая сбор энергии, вычисления, связь и биомедицинское зондирование. Однако в реальных условиях светом сложно управлять из-за его комплексного поведения. Физик Андреа Алу сравнивает поведение света в хаотических системах с начальным ударом в бильярде: "В бильярде крошечные изменения в способе запуска шара с кием приводят к тому, что шары разлетаются по столу. Световые лучи действуют аналогичным образом в хаотической полости. Становится трудно моделировать, чтобы предсказать, что произойдёт, потому что можно проводить эксперимент много раз с одинаковыми настройками, и каждый раз получать разный результат".
В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Physics, группа специалистов под руководством исследователей из CUNY Graduate Center описывает новую платформу для управления хаотическим поведением света путём настройки его рассеяния с помощью самого света. Проект возглавляли соавторы Сюэфэн Цзян (Xuefeng Jiang), бывший постдокторский исследователь в лаборатории Алу, а ныне доцент кафедры физики Университета Сетон Холл, и Шишионг Инь (Shixiong Yin), аспирант в лаборатории Алу.
Традиционные платформы для изучения поведения света обычно используют резонансные полости круглой или правильной формы, в которых свет отражается и рассеивается по более предсказуемым закономерностям. Например, в круглой полости сохраняются только предсказуемые и определённые частоты, и каждая поддерживаемая частота связана с определённым пространственным распределением.
Одной моды на одной частоте достаточно для понимания физики, действующей в круговом резонаторе, но такой подход не позволяет раскрыть всю сложность поведения света, наблюдаемую в сложных платформах, говорит Джаинг.
"В полости, поддерживающей хаотические паттерны света, любая отдельная частота, подаваемая в полость, может возбудить тысячи световых паттернов, что, как принято считать, сводит на нет шансы на управление оптическим откликом", - сказал Джаинг. "Мы продемонстрировали возможность управления этим хаотическим поведением".
Для решения этой задачи команда разработала большую полость в форме стадиона с открытой верхней частью и двумя каналами на противоположных сторонах, которые направляют свет в полость. Входящий свет рассеивается от стенок и отражается от них, а расположенная сверху камера фиксирует количество света, выходящего из стадиона, и его пространственную структуру.
По бокам прибора расположены регуляторы, позволяющие управлять интенсивностью света на двух входах и задержкой между ними. Противоположные каналы заставляют световые пучки интерферировать друг с другом в полости стадиона, что позволяет управлять рассеянием одного пучка другим с помощью процесса, известного как когерентное управление - по сути, использование света для управления светом, считает Алу. Регулируя относительную интенсивность и задержку световых пучков, входящих в два канала, исследователи, что примечательно, последовательно изменяли картину излучения света за пределами резонатора.
Такое управление стало возможным благодаря редкому поведению света в резонансных полостях, называемому "модами рассеяния без отражения" (МРО), которое было теоретически предсказано ранее, но не наблюдалось в системах с оптическими полостями. По словам Инь, продемонстрированная в данной работе возможность манипулирования МРО позволяет эффективно возбуждать и контролировать сложные оптические системы, что имеет значение для хранения энергии, вычислений и обработки сигналов.
"Мы обнаружили, что на определённых частотах наша система может поддерживать два независимых, перекрывающихся МРО, благодаря чему весь свет попадает в полость стадиона без отражений обратно в порты канала, что позволяет управлять им", - сказал Инь. "Наша демонстрация касается оптических сигналов в пределах полосы пропускания оптических волокон, которые мы используем в повседневной жизни, так что это открытие открывает новый путь для лучшего хранения, маршрутизации и управления световыми сигналами в сложных оптических платформах".
В дальнейших исследованиях учёные намерены использовать дополнительные регуляторы, что даст больше степеней свободы для раскрытия дальнейших сложностей в поведении света.
Источник новости: habr.com
