Обычно свет распространяется по прямой. Конечно, при помощи сред с различными коэффициентами преломления его можно отклонить. Однако новые исследования двух независимых научных групп показывают, что и сам по себе пучок света может изгибаться до 360˚.

Часто новое — это хорошо забытое, но не обязательно старое. В конце 1970-х физики Майкл Берри из Бристольского университета (Великобритания) и Нандор Балаш из Университета Стони-Брук (США) открыли, что так называемые волны Эйри могут до некоторой степени изгибаться благодаря взаимному наложению части волн.

В 2007 году исследователям из Университета Центральной Флориды в Орландо (США) впервые удалось получить лучи из волн Эйри на практике, при помощи лазера. Подтверждено экспериментально: луч слегка изгибался, до 8˚.

А изгибаются волны Эйри потому, что состоят из комбинации волн, где одна, ведущая, несёт бóльшую часть интенсивности общего луча. Другие, более слабые волны, отстают от предыдущей на половину длины. Эти волны двух видов так влияют друг на друга, что ведущая искривляется в одну сторону, а хвостовые, гасящие друг друга, — в противоположную. Луч Эйри (его видимая часть) почти не рассеивается при удалении от своего источника, превосходя в этом отношении даже довольно когерентный обычный лазерный луч.

Рис. 1. Такой изогнутый луч выглядит прерывистым, зато он почти не рассеивается. (Изображение F. Courvoisier / J. M. Dudley).

Ну а теперь Мордехай Сегев и его коллеги из Израильского технологического института в Хайфе утверждают, что нашли способ изгибать луч света под любым углом, вплоть до 360˚.

По словам г-на Сегева, прежде этого не удавалось сделать из-за ограниченности самой функции Эйри, которая позволяла рассчитывать колебания волн с высокой точностью лишь для небольших углов, после чего всё становилось слишком приближённым. Его группа обратилась к уравнениям Максвелла, которые описывают распространение электромагнитных волн (в том числе света). В итоге учёные обнаружили такие решения, которые точно описывают подбор фаз излучаемых световых волн, необходимый, чтобы добиться получения изгибающегося пучка света.

Исследование опубликовано в статье:

Ido Kaminer, Rivka Bekenstein, Jonathan Nemirovsky, and Mordechai Segev Nondiffracting Accelerating Wave Packets of Maxwell’s Equations. – Phys. Rev. Lett. 108, 163901 (2012) [5 pages].

Другая группа учёных, возглавляемая Джоном Дадли из Университета Франш-Конте (Безансон, Франция), провела эксперименты, базируясь на сходных идеях, при этом лишь модифицировав изначальную функцию Эйри. Используя пространственный модулятор света, исследователи подобрали фазы пучка лазерного излучения таким образом, что добились луча, искривлённого под углами до 60˚.

Отчёт об этом исследовании появился недавно в журнале Optics Letters.

Рис. 2. Оптические пинцеты уже сейчас могут подвешивать небольшие образцы буквально воздухе, а с изогнутыми лучами их можно будет использовать для манипуляций с клетками непосредственно в тканях или других сложных средах. (Фото ANU).

Количество потенциальных применений «кривого» лазерного луча весьма велико. Уже сейчас говорят о его использовании при создании оптического пинцета, способного без механического соприкосновения передвигать объекты по сложным траекториям (например, клетку в сложной среде), или о лазерах, выжигающих изогнутые под любыми углами отверстия. Теоретически такие лазерные лучи можно будет применять для лидарного «видения» вне прямой видимости, для связи с космическим аппаратом в точке L4 (или по ту сторону Марса) либо для наблюдения чего-то находящегося за препятствием, высокой стеной и т. д.

Чрезвычайно интересно и то, могут ли подобные решения быть применены к другим электромагнитным волнам, в частности радиоволнам и микроволнам: почти не рассеивающиеся пучки таких волн, да ещё способные огибать прежде непреодолимые для них препятствия, были бы огромным шагом вперёд для целого ряда практических задач…