Мыльная пленка позволила пронаблюдать разветвленный поток света

Физикам впервые удалось наблюдать разветвление светового потока — то есть разделение единого пучка света на множество сфокусированных компонент. Ученые установили, что такой эффект возникает при распространении лазерного луча в мыльной пленке. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Разветвленные потоки могут возникать, когда некоторая волна распространяется в слабом потенциальном поле, величина которого беспорядочно меняется в пространстве, а длина корреляции (то есть характерное расстояние, в пределах которого разброс величины поля примерно одинаков) — превосходит длину волны. При таких условиях совокупность малых вариаций внешнего поля способна рассеивать исходный поток не плавно, а, напротив, превращать его в несколько более узких выраженных потоков. Те, в свою очередь, под воздействием такого же механизма способны расщепляться на еще более узкие пучки — возникает картина, напоминающая ветви дерева.

Считается, что такой эффект должен проявляться у волн любого типа. Ученые уже наблюдали его для электронов и микроволнового излучения, а также привлекали для описания океанических волн и явлений акустики. Несмотря на это, до недавнего времени разветвление потока не удавалось наблюдать в оптике — то есть для электромагнитных волн в окрестности видимого диапазона.

Анатолий Пацюк (Anatoly Patsyk) из Израильского технологического института и Мигель Бандрес (Miguel Bandres) из Университета Центральной Флориды вместе с коллегами впервые экспериментально обнаружили и исследовали разветвление потока для оптического излучения. При помощи оптического волокна физики направляли пучок лазера с длиной волны 532 нанометра (соответствует зеленому свету) на мыльную пленку — тонкий слой жидкости, который заключен между двумя слоями поверхностно-активных молекул.

Толщина мембраны беспорядочно варьировалась в пространстве (в ходе опыта — в диапазоне 50–550 нанометров, что сопоставимо с длиной волны) — это приводило к изменению эффективного показателя преломления среды, а вместе с ним и характера распространения света. Чтобы измерять вариации толщины пленки, ученые освещали ее на трех длинах волн (красной, зеленой и синей области спектра) и получали изображение при помощи микроскопа, после чего на основе получившегося изображения воссоздавали неровности мембраны. При помощи микроскопа авторы следили и за распространением лазерного пучка, а чтобы, не оказывая на пучок значительного влияния, одновременно наблюдать неоднородности пленки — использовали слабую белую подсветку. Поскольку опыт происходил в условиях лаборатории, вариации толщины пленки менялись во времени под воздействием слабых воздушных потоков — это приводило к дрожанию вторичных лучей и нестабильности общей картины.

В результате физикам удалось наблюдать и многократно воспроизвести разветвление светового пучка под воздействием варьирующихся оптических свойств пленки. Кроме того, по итогам опыта ученые качественно подтвердили полученное ранее другими исследователями соотношение между расстоянием, на котором впервые происходит расщепление, и характеристиками среды — статистическим разбросом величины потенциала и длиной корреляции, а также отметили некоторые свойства возникающих вторичных лучей — в частности, они по сравнению с исходным пучком в однородной среде значительно меньше подвержены дифракционному уширению (то есть самопроизвольному увеличению поперечных размеров пучка с расстоянием) — в ходе опыта ширина вторичных пучков практически сохранялась на масштабе в десять дифракционных длин.

Авторы подчеркивают, что проделанное открытие и методика эксперимента открывают целое направление для дальнейших исследований — придавая оптической среде разнообразные свойства (например, изменяя кривизну поверхности из мыльной пленки или используя нелинейные эффекты), можно получать широкий набор экспериментальных данных, которые позволят уточнять и развивать теоретические модели (в том числе элементы, связанные с общей теорией относительности).

Мыльные пленки привлекали внимание исследователей не только с точки зрения оптики: в марте мы писали о том, как ученые-акустики измерили звуковое давление лопающихся мыльных пузырей, а в 2017 году — рассказывали, как с решением задачи о мыльных пленках справились математики.

Николай Мартыненко

https://nplus1.ru/