Хотя узлы традиционно связывают с шнурками или переплетенными нитями, учёные показали возможность создания узлов при помощи лазерных лучв. В ходе недавнего исследования, В журнале Nature Communications инженеры из Университета Дьюка создавали с помощью лазеров сложные трёхмерные узоры, называемые оптическими узлами.
Прецизионным формированием и наложением лазерных лучей команда сформировала стационарные световые структуры, способные кодировать информацию и взаимодействовать с окружением новыми методами. Это открывает возможности для более безопасной коммуникации в системах, таких как голограммы.
«Математическая устойчивость этих форм предполагала способность беспрепятственно передавать информацию сквозь сложные среды. «,— прокомментировала в недавнем обращении Наталья Личиницер, профессор электротехники и вычислительной техники из Дьюка. Как выяснилось, стабильность не всегда гарантируется, однако можно повысить её. ».
Что такое оптические узлы?
Физики изготавливают оптические узлы с помощью сложных рисунков, которые создаются наложением лазерных лучей определенным образом. Так образуются фигуры в трёхмерном пространстве, напоминающие закрученные петли или дымовые кольца из света. Открытые всего двадцать лет назад, оптические узлы остаются молодой областью исследований. Тем не менее, они уже продемонстрировали свою эффективность для самых различных футуристических применений: от безопасной передачи информации до захвата мельчайших частиц в трёхмерном пространстве.
Испытание узлов в турбулентном воздухе
Инженеры Университета Дьюка провели эксперимент, чтобы проверить: способны ли световые узлы работать в реальных условиях, например, при турбулентном потоке воздуха.
Команда создала голографическую световую полосу для формирования узла из одного лазерного луча, разделяя его на пять отдельных лучей. Сходящиеся лучи формируют оптический узел в пространстве. Затем команда отправила этот узел через турбулентный воздух для наблюдения за результатом.
У команды был один недостаток: доступ к большому открытому полигону, как у коллег из Южной Африки (проводивших испытания между зданиями), отсутствовал. Вместо этого исследователи из Дьюка собрали настольный симулятор турбулентности.
«Использовали прибор, похожий по размеру на тостер, с нагревательным элементом снизу и вентиляторами для организации хаотичного потока воздуха. — поведал Данило Гомес Пирес, стажер исследовательской группы Натальи Личиницер. Мы сфокусировали луч и провели его через ряд зеркал, создав эффект полёта на расстояние около трёхсот метров. ».
Результаты оказались превосходными. При спокойном воздухе узел сохранял сложную структуру — три идеальные петли, переплетенные друг с другом. Однако при усилении турбулентности узел начинал раз unraveling’аться. В неспокойном воздухе узел терял форму и способность передавать информацию.
Для повышения устойчивости узел переработали, сделав конструкцию более сложной с добавлением дополнительных витков и изгибов. Это создало больше «опорных точек», подобно американским горкам. Прочные узлы лучше сохраняли форму в трудных условиях.
От безопасной связи до атмосферных датчиков
Способность придавать форму и стабилизировать оптические узлы расширяет возможности технологий, хотя эта область находится на начальной стадии развития. В форме узла можно закодировать информацию и передавать её на большие расстояния, подобно голографической азбуке Морзе. Ученые могут использовать узлы для измерения турбулентности в атмосфере, анализируя, как изменяется световой рисунок во время полета.
Эти узлы, существующие в трёх измерениях, пригодно для захвата и управления микроскопическими частицами в физических и биологических экспериментах.
«Для использования оптических узлов в различных целях требуется их глубокое изучение и понимание принципов работы. », — говорит Личиницер. «Наша работа — первое исследование распространения через реальную турбулентность. В следующем шаге увеличим масштаб, чтобы продолжить изучение их работы в свободном пространстве. ».