Тень лазера. Ответ на критику
Критики: "Это тень от возбужденной области рубина, а не от луча лазера"
И да и нет. Именно так тень получается. Авторы, разумеется, описывают физический механизм взаимодействие с рубином:
"Эффект лазерной тени является следствием нелинейного оптического поглощения (то есть обратного насыщения поглощения, что также называется насыщаемым пропусканием) в рубине; везде, где в рубине присутствует лазерный луч-объект (зеленый), он увеличивает оптическое поглощение освещающего лазерного луча (синего). Это приводит к появлению соответствующей области пониженной оптической интенсивности в освещающем свете, более темной области, которая и является тенью зеленого лазерного луча”
"The laser shadow effect is a consequence of the optical nonlinear absorption (i.e., reverse-saturation of absorption, equivalently called saturable transmission) in the ruby; wherever the object laser beam (green) exists in the ruby, it increases the optical absorption of the illuminating laser beam (blue). This results in a matching region in the illuminating light with lower optical intensity, a darker area that is the shadow of the green laser beam.
Автор считают, что это гибридное явление, включающее как фотоны, так и атомы рубина.
Критики: “Зачем такие натяжки делать?”
Но главное, что это все равно, по мнению авторов, тень от луча лазера. Я не случайно в ролике подчеркиваю, что авторы последовательно доказывают , что именно тень. Они для этого определяют критерии, что считают тенью. И проверяют соответствие того, что получили этим критериям. И сранивают с тем, какую тень в тех же условиях отбрасывают волосы:
“На рис. 4A, когда присутствует луч-объект, мы помещаем прядь черных волос на пути освещающего синего света перед кубом. Неудивительно, что черный волос более непрозрачен, чем лазерный луч-объект, который пропускает почти 80% освещения, и отбрасывает более темную тень. Тем не менее, без подписей было бы трудно определить, какая тень от чего”.
"In Fig. 4A, while the object beam is present, we place a strand of black hair in the path of the illuminating blue light before the cube. Unsurprisingly, the black hair is more opaque than the object laser beam, which transmits almost 80% of the illumination, and casts a darker shadow. Nonetheless, without the labels, it would be difficult to decide which shadow is which.”
"Написали бы 'обратимое изменение прозрачности среды под воздействием лазерного излучения'"
Повторю, авторы сами объясняют, почему то явление, что они получили, качественно отличается от просто изменения прозрачности. Главное отличие - это поведение эффекта как у классической тени (сразу выполнение всех пунктов, а не только некоторых):
- Видимость невооруженным глазом
- Следование за контурами поверхности
- Соответствие форме и движению объекта
- Создание трехмерного эффекта
При этом надо отдать должное научной дисциплине авторов. Они все еще считают свое объяснение не последней истиной, а интерпретацией того, что объективно наблюдают в эксперименте. Хотя и уверены в своей правоте и в понимании результатов собственного эксперимента:
"Эффект лазерной тени нуждается в рубине как посреднике для этой блокировки [света - прим. SciOne], что поднимает интересный вопрос: блокируют ли освещающий свет сами фотоны лазера-объекта или это делают атомы рубина? Аналогичный вопрос — состоит ли световая волна, распространяющаяся в материале, из фотонов или из возбуждений в атомах? — применим к уже известным эффектам, таким как замедленный или остановленный свет, и даже к обычному прохождению света через стеклянное окно. В фундаментальном смысле волна на самом деле представляет собой гибрид того и другого — поляритоны. Мы имеем дело с сильным поглощением (отсюда и тень) и поляритонной природой возбуждения в среде, и оба эти концепта необходимы для понимания происходящего. Строго говоря, тень создает не безмассовый свет, а материальная составляющая поляритона, обладающая массой.
Теперь давайте поясним, чем этот теневой эффект отличается от других известных нелинейных оптических эффектов. Показательным, хотя и крайним примером является полностью оптический переключатель, в котором присутствие одного луча переключает второй луч с выхода А на выход В. Отсутствие второго луча в точке А является тенью лишь в очень ограниченном смысле. В частности, переключатель будет работать только для этих двух конкретных лучей; для других углов падения, частот, полос пропускания, длительностей, времен прихода и положений лучей оптические переключатели работают плохо или вообще не работают. Переключатель — это инженерное устройство, оптимизированное для узко заданных входных параметров, далекое от того, что большинство людей назвали бы объектом, отбрасывающим тень.
Другие часто встречающиеся нелинейные оптические эффекты также работают лишь в чень узких, специфических условиях. Электромагнитно-индуцированное поглощение происходит в крайне узкой полосе частот. Оптическая накачка вызывает переход группы атомов на новый энергетический уровень, который находится в резонансе с испытуемым излучением и таким образом увеличивает его поглощение. Следовательно, это обычно узкополосный эффект, требующий лазеров, частота которых привязана к энергиям атомных переходов. Для широкополосного света изменение поглощения незначительно. Оптические материалы с фазовым переходом могут менять свою прозрачность при оптическом возбуждении, но это происходит из-за изменения самой структуры материала и поэтому обычно происходит медленно для макроскопических систем. Резюмируем: хотя существуют нелинейные эффекты, в которых свет управляет пропусканием света, они требуют точной и часто сложной инженерии и проявляются только при определенной геометрии и длинах волн.
Взаимодействие света со светом в рубине, которое мы демонстрируем, обладает уникальными характеристиками, отличающими его от вышеупомянутых нелинейных эффектов. А именно, обратное насыщение поглощения рубина происходит в широком диапазоне длин волн видимого спектра, и освещение может распространяться в любом направлении. Следовательно, для демонстрации поглощения не потребовалось специальной аппаратуры или сложной конструкции, причем эффект достаточно силен, чтобы быть легко видимым невооруженным глазом. В нашем случае эффект действительно широкополосный; тень можно увидеть даже при использовании синего светодиода вместо лазера в качестве освещения. До настоящей работы, насколько нам известно, не существовало другого механизма, который можно было бы использовать для демонстрации лазерной тени, которая была бы очевидной и четкой, широкополосной и видимой невооруженным глазом. Ни один из вышеупомянутых случаев не мог привести к чему-то подобному эффекту лазерной тени, описанному в нашей работе. В итоге, необычные свойства рубина делают впервые возможной демонстрацию поглощения света светом, которое ведет себя как обычная тень.”
“The laser shadow effect requires a ruby to mediate this blockage, which raises the interesting question of whether the photons in the object laser themselves are blocking the illuminating light or rather it is the atoms in the ruby. An analogous question — is a light wave propagating in a material made up of photons or excitations in atoms? — applies to established effects such as slowed or stopped light and, indeed, even everyday transmission through a glass window. Fundamentally, the wave is actually composed of a hybrid of the two, polaritons. We are in the presence of strong absorption (hence the shadow) and the polaritonic nature of the excitation in the medium, and both concepts are necessary to understand what is happening. Strictly speaking, it is not massless light that is creating the shadow, but it is the material counterpart of the polariton, which has mass, that is casting the shadow.
We now clarify how this shadow effect is distinct from other known nonlinear optical effects. An informative, if extreme, example is an all-optical switch in which the presence of a beam switches a second beam from output port A to B. The absence of the second beam at A is only a shadow in a very limited sense. Specifically, the switch will only operate for these two beams; for other beam angles, frequencies, bandwidths, durations, arrival times, and positions, all-optical switches cease to function well or, more likely, do not function at all. The switch is an engineered device that is optimized for narrowly specified inputs, far from what most people would call an object casting a shadow.
Other common nonlinear optical effects are similarly limited in scope. Electromagnetically induced absorption occurs for an extremely narrow bandwidth. Optical pumping causes an atomic population to be transferred into a new energy level that is resonant with a probe and thus increases its absorption. Hence, this is typically a narrowband effect requiring lasers that are frequency locked to the atomic transition energies. For broadband light, the change in absorption is tiny. Optical phase-change materials can change their transmissivity upon optical excitation, but this is due to a change in the material structure itself and is, thus, slow for macroscopic systems typically. In summary, while there exist nonlinear effects in which light controls the transmission of light, they require precise and often elaborate engineering and only appear in specific geometries and wavelengths. The light-light interaction in ruby that we demonstrate has unique characteristics that distinguish it from the above nonlinear effects. Namely, the reverse saturation of absorption of ruby occurs for a broad range of wavelengths, they are in the visible spectrum, and the illumination can travel in any direction. Consequently, no specialized instrumentation or elaborate design was needed to demonstrate the absorption, which is strong enough to be easily visible by the naked eye. In our case, the effect is very broadband; the shadow can be seen even with a blue LED playing the role of illumination, rather than a laser. Prior to the present work, to the best of our knowledge, there is no other mechanism that can be used to show a laser shadow that is obvious and clear, broadband, and visible to the naked eye. None of the aforementioned cases could lead to something similar to the laser shadow effect as described in our work. In summary, the unusual properties of ruby make possible the first demonstration of light-light absorption that behaves like a regular shadow.”
Надеюсь, так критика будет более конкретной, а разбор осмысленным. Только так можно будет и нам стать лучше, и исправить ошибку корректно, если она допущена. Ведь можно исправить не то и не так.
Повторю снова ссылку на исследование: https://opg.optica.org/directpdfaccess/5d234ea7-9315-4bef-a42804a7612b92da_563468/optica-11-11-1549.pdf?da=1&id=563468&seq=0&mobile=no