آیا نور، خودش می تواند سایه داشته باشد؟ شاید مانند یک معمای فلسفی به نظر برسد اما پژوهشگران دریافته اند که تحت شرایط خاص، پرتو لیزر می تواند مانند یک جسم کدر عمل کرده و سایه تشکیل دهد. این کشف، شناخت متداول از سایه ها را به چالش کشیده و فرصت های جدیدی را برای فناوری هایی که میتوانند از یک پرتو لیزر برای کنترل پرتو لیزر دیگر استفاده کنند، ایجاد می کند.

برای آزمایش، یک لیزر سبز پرتوان به درون مکعب یاقوت هدایت شده و مکعب از پهلو با یک لیزر آبی روشن می شود. لیزر سبز، جذب اپتیکی پرتو لیزر روشن کننده ی آبی را افزایش داده، یک ناحیه تطابق در نور روشن کننده و یک ناحیه تاریک تر ایجاد می کند که مانند سایه ی پرتو لیزر سبز به نظر می رسد.

رافائل آبراهائو Raphael A. Abrahao، سرپرست گروه پژوهشی آزمایشگاه ملی بروکهاون و پیشتر در دانشگاه اُتاوا، می گوید: "سایه تشکیل دادن نور لیزر، قبلا غیر ممکن تصور میشد، چون نور معمولا از میان نور دیگر بدون برهمکنش عبور میکند. نمایش ما از یک اثر اپتیکیِ کاملا غیر شهودی، ما را دعوت می کند تا تصورمان از سایه را بازنگری کنیم."

در Optica، پژوهشگران توضیح می دهند که چگونه از یک کریستال یاقوت و طول موج های خاصی از لیزر استفاده کردند تا نشان دهند که یک پرتو لیزر می تواند نور را مسدود کرده و به واسطه یک فرآیند اپتیکی غیر خطی، سایه ای قابل رویت ایجاد کند. این اثر وقتی رخ می دهد که یک ماده با نور، به صورت وابسته به شدت، بر همکنش کرده و بتواند بر میدان اپتیکی دیگر اثر بگذارد.

آبراهائو می گوید: "درک ما از سایه ها همگام با درک ما از نور و اپتیک گسترش یافته است. این یافته جدید می تواند در کاربردهای متفاوتی از قبیل سوئیچ اپتیکی، دستگاه هایی که نور وجود نور دیگری را در آنها کنترل می کند یا فناوریهایی مانند لیزرهای پرتوان که به کنترل دقیق انتقال نور نیاز دارند، به کار بیاید."

این پژوهش جدید بخشی از یک کاوش بزرگتر در زمینه چگونگی برهمکنش یک پرتو نور با پرتو نور دیگر تحت شرایط خاص و فرآیندهای اپتیکی غیرخطی است.

این ایده از یک مکالمه هنگام ناهار شروع شد وقتی که اشاره شد برخی شماتیک های آزمایشگاهی ایجاد شده با نرم افزارهای تصویر ساز سه بعدی، برای پرتوی نور سایه می کشند، به این دلیل که بدون در نظر گرفتن فیزیک لیزر با آن به عنوان یک استوانه رفتار می کنند. دانشمندان از خود پرسیدند: آیا این می تواند در یک آزمایشگاه انجام شود؟

آبراهائو می گوید: "آنچه به عنوان یک گفتگوی سرگرم کننده هنگام ناهار آغاز شد به یک گفتگو در زمینه فیزیک لیزرها و پاسخ اپتیکی غیر خطی مواد ختم شد. از اینجا ما تصمیم گرفتیم آزمایشی انجام دهیم تا سایه یک پرتو لیزر را به نمایش بگذاریم."

برای انجام این کار، پژوهشگران یک لیزر سبز پرتوان را از میان یک مکعب ساخته شده از کریستال یاقوت استاندارد عبور داده و آن را با یک لیزر آبی از پهلو روشن کردند. وقتی لیزر سبز وارد یاقوت می شود، به طور موضعی پاسخ ماده به طول موج آبی را دچار تغییر می کند. لیزر سبز مانند یک جسم معمولی عمل کرده در حالیکه لیزر آبی مانند منبع روشنایی رفتار می کند.

پژوهشگران نشان دادند که یک پرتو لیزر می تواند گاهی اوقات مانند یک جسم جامد عمل کرده و سایه ای تشکیل دهد که با چشم غیر مسلح قابل مشاهده است. در تصویر، سایه به عنوان خط افقی که از پس زمینه آبی عبور می کند، ظاهر شده است.

برهمکنش بین دو چشمه، نور سایه ای روی یک پرده ایجاد کرد که به عنوان یک ناحیه تاریک جایی که لیزر سبز نور آبی را مسدود کرده، قابل رویت بود. این نمونه همه معیارهای لازم برای یک سایه را داشت، زیرا با چشم غیر مسلح قابل مشاهده بود، از خطوط خارجی سطحی که روی آن افتاده بود و از مکان و شکل پرتو لیزر که به عنوان یک جسم رفتار می کرد، پیروی می نمود.

اثر سایه لیزر، پیامدی از جذب غیر خطی اپتیکی در یاقوت است. این اثر به این دلیل اتفاق می افتد که لیزر سبز، جذب اپتیکی پرتو لیزر روشن کننده آبی را افزایش می دهد که یک منطقه مشابه در نور روشن کننده با شدت اپتیکی پایین تر ایجاد می کند. حاصل، یک ناحیه تاریک تر است که به عنوان سایه ای از پرتو لیزر سبز پدیدار می شود.

اندازه گیری های سایه

آبراهائو می گوید: "این کشف، درک ما را از برهمکنش های نور-ماده گسترش داده و فرصت های جدیدی را برای به کار بردن نور به روشهایی که قبلا در نظر در نگرفته بودیم، فراهم می کند."

پژوهشگران به طور تجربی بستگی کنتراست سایه به توان پرتو لیزر را اندازه گیری کردند که یک کنتراست ماکزیمم تقریبا 22 درصد، مشابه کنتراست سایه درخت در یک روز آفتابی را به دست می دهد. آنها همچنین یک مدل نظری را توسعه دادند و نشان دادند که می تواند به طور دقیق کنتراست سایه را پیش بینی کند.

پژوهشگران می گویند از دیدگاه فناورانه، اثری که آنها به نمایش گذاشتند نشان می دهد که شدت یک پرتو لیزر عبوری می تواند با اعمال لیزر دیگر کنترل شود. در ادامه، آنها قصد دارند مواد دیگر و طول موج های لیزری دیگر را که می توانند اثرات مشابه تولید کنند، مورد مطالعه قرار دهند.

منبع:

Scientists discover laser light can cast a shadow