Бразильські вчені за допомогою діодного лазера і рідкокристалічного просторового модулятора світла відтворили фотографію кота 1272 на 1024 пікселі. Нею фізики проілюстрували новий метод створення довільних профілів лазерного променя, який стане у пригоді як для візуалізації, так і для сфери оптогенетики або керування ультрахолодними атомами. Свій дослід вчені представили на конференції SBFoton International Optics and Photonics Conference, а стаття доступна на сервісі препринтів arXiv.
P. Silva, S. Muniz / arXiv, 2022
Навіщо вченим лазерний кіт?
Створення та точне керування формою лазерних променів відіграє важливу роль у широкому спектрі галузей промисловості та досліджень. Точно контрольовані світлові візерунки можна використовувати і в лазерному різанні та оптичному 3D-друку, і в фундаментальних дослідженнях в галузі оптогенетики та експериментах з контролем ультрахолодних атомів у фізиці.
В цілому методи керування фронтом хвилі лазерного випромінювання можна розділити на два види: пряме керування амплітудою, наприклад, з використанням цифрових мікродзеркальних пристроїв (digital micromirror device), і керування фазою хвиль — це використовується зокрема в голограмах. У першому випадку, реалізація набагато простіша, а коригувати результат легше. Однак у цьому підході складно контролювати фазу, а отже, й створювати певні типи структурованого світла — наприклад, вихрові лазерні пучки Лагерра-Гаусса. У другому випадку, навпаки, можна створювати більш загальні фазово-структуровані і векторні пучки з можливістю проєктування тривимірних структур, а не обмежуватися областю поблизу фокальної площини. Але з іншого боку, оперативно виправляти недоліки бажаного розподілу світла вже технологічно складніше.
У своїй статті дослідники з бразильського університету в Сан-Паулу, Педро Фалейрос Сільва (Pedro Faleiros Silva) та Серхіо Рікардо Муніс (Sergio Ricardo Muniz), запропонували підхід до керування фазою хвиль випромінювання, який має якості обох методів керування світлом, а саме: пряме відображення пікселів бажаного зображення та просте його кодування.
Що зробили вчені?
Одним з явищ, яке можна спостерігати при проходженні хвиль зокрема світла, є дифракція та заснований на її принципі прилад дифракційна ґратка. Згідно з принципом дифракції, кожну точку на шляху розповсюдження світлового променя можна розглядати як нове незалежне джерело хвиль, але вже вторинних. А отримана в результаті дифракційна картина є результатом інтерференції цих вторинних хвиль.
Завдяки дифракції світло проникає в області, куди ідеальний прямий промінь потрапити не може. Дифракційна ґратка користується цим і являє собою сукупність розташованих на невеликій відстані один від одного мікроскопічних ліній, які так само відображають світло і можуть вважатися джерелом вторинних хвиль.
Отже, правильно спроєктувавши форму фазового розподілу, можна створити бажаний розподіл інтенсивності світла на дифрагованих променях. А в цій роботі Сільва і Муніс продемонстрували, що за допомогою дифракційних ґраток можна створювати не тільки прості та плоскі геометричні форми, а й складні та багатофункціональні зображення. Зокрема – фотореалістичні зображення котів.
Як вийшов кіт?
Суть пропонованого у цій роботі методу полягає в ідеї оптимально спроєктованого поділу лазерного променя за допомогою просторового модулятора світла та маски фазового зсуву, в якій кодується цільове зображення кота. За оригіналом фото вчені створили маску фазового зсуву відповідно до розподілу рівня сірого по всьому зображенню. Якщо важливо не втратити будь-яку інформацію про зображення під час кодування, вихідне зображення можна продублювати та використати той самий алгоритм кодування вдруге, повідомляють автори роботи.
У своїх експериментах вчені використали діодний горизонтально поляризований лазер із довжиною хвилі 640 нанометрів. Через дифракцію промінь, який не є ідеальною плоскою хвилею, не фокусуватиметься в одному місці, а створюватиме візерунок зі світлих та темних областей у фокальній площині. Наприклад, недосконалий промінь може утворити яскраву пляму, оточену серією концентричних кілець. Тому перша лінза фокусує лазер на отворі діаметром 20 мікрометрів, створюючи гладкий поперечний профіль інтенсивності хвилі. Після потрапляння на просторовий модулятор світла світловому потоку задається потрібна фаза, а потрібне зображення виявляється на ПЗЗ-камері.
Схема експеримента. На схемі експерименту заявлена довжина хвилі лазера як 632,8 нанометра. Однак у тексті препринта науковці зазначають довжину хвилі як 640 нанометрів. P. Silva, S. Muniz / arXiv, 2022
Просте кодування може створювати промені довільної форми з плавним та багатофункціональним керуванням інтенсивністю випромінювання завдяки фазовому розщепленню когерентного променя лазера. Вчені вважають, що цей метод не обмежується лазерами безперервної дії і його можна застосовувати і на променях потужних імпульсних лазерів і, можливо, навіть надшвидких фемтосекундних лазерів.
Також раніше ми розповідали, як за допомогою рентгенівських променів і серії дифракційних картин змогли отримати зображення атома з рекордною роздільною здатністю у 16 пікометрів.
Оновлено 13.05.2022: Доповнено підпис до схеми.