Strukturoidun valon vääristymättömiä muotoja

Jännittävä mahdollisuus modernissa optiikassa on hyödyntää valokuvioita joita usein kutsutaan "strukturoiduksi valoksi". Jokainen erillinen kuvio voisi muodostaa koodausaakkosen esimerkiksi optista viestintää varten.

Valitettavasti valokuviot vääristyvät, kun ne kulkevat kohisevien kanavien läpi, esimerkiksi jännittyneen tai poikkeamaa muodostavan optisen kuidun, samean elävän kudoksen ja turbulenssisen ilmakehän läpi.

Etelä-Afrikan Wits Universityn tutkijat ovat osoittaneet, kuinka on mahdollista löytää vääristymättömiä valon muotoja, jotka tulevat kohisevasta kanavasta ulos täsmälleen samanlaisina kuin ne sinne laitettiin.

Käyttämällä esimerkkinä ilmakehän turbulenssia he osoittivat, että näitä valon erityismuotoja, joita kutsutaan ominaismuodoiksi, voidaan löytää jopa erittäin monimutkaisille kanaville.

Valon kulkeminen ilmakehän läpi on ratkaisevan tärkeää monissa sovelluksissa, kuten vapaan tilan optiikassa, anturoinnissa ja energiansiirrossa, mutta parhaan tavan löytäminen tehdä se on osoittautunut haastavaksi, sanoo professori Andrew Forbes.

Perinteisesti yritys ja erehdys -lähestymistapaa on käytetty vahvimpien valomuotojen löytämiseen jossakin tietyssä kohisevassa kanavassa, mutta tähän mennessä kaikki tutut rakenteellisen valon muodot ovat osoittautuneet vääristyneiksi, kun väliaine muuttuu asteittain kohisevammaksi.

Mutta onko mahdollista luoda valoa, joka kulkee läpi ikään kuin vääristymää ei olisi? Tämän selvittämiseksi tutkijat käsittelivät kohisevaa kanavaa matemaattisena operaattorina ja esittivät yksinkertaisen kysymyksen: mitkä valon muodot olisivat muuttumattomia tälle operaattorille? Toisin sanoen valoaallot, jotka ovat kanavan luonnollisissa tiloissa, käyttäytyvät ikään kuin ne eivät näe vääristymää eli kanavan todellisia ominaismuotoja.

Tutkittu esimerkki koski ilmakehän turbulenssista johtuvia vääristymiä. Vastaus ongelmaan paljasti aiemmin tuntemattomia valon muotoja. Tämä tosiasia vahvistettiin kokeellisesti ja teoreettisesti heikoille ja voimakkaille turbulenssiolosuhteille.

Professori Forbes visioi: "Työssä on jännittävää, että se avaa uuden lähestymistavan monimutkaisen valon tutkimiseen monimutkaisissa järjestelmissä – esimerkiksi ajettaessa klassista ja kvanttivaloa optisen kuidun, vedenalaisten kanavien, elävän kudoksen ja muiden erittäin poikkeavien järjestelmien kautta."

Hän lisää: "Ominaismuotojen luonteesta johtuen ei ole väliä kuinka pitkä tämä väliaine on tai kuinka vahva häiriö on, vaan sen pitäisi toimia hyvin myös tiloissa, joissa perinteiset korjaavat menetelmät, kuten adaptiivinen optiikka, epäonnistuvat."

Strukturoidun valon eheyden säilyttäminen monimutkaisissa medioissa tasoittaa tietä tuleville töille kuvantamisessa ja kommunikaatiossa kohinaisten kanavien kautta, mikä on erityisen tärkeää, kun valon strukturoidut muodot ovat hauraita kvanttitiloja.

Aiheesta aiemmin: