Физиками Корнелльского университета (Cornell University) (США) создан временной аналог известных маскирующих устройств, которые скрывают объекты от наблюдения.

Для обнаружения какого-либо предмета, экспериментаторам часто приходится оценивать изменения характеристик зондирующего пучка излучения, которое взаимодействует с объектом. Маскирующее устройство, обычно изготавливаемое с применением метаматериалов, должно изменять траекторию распространения света так, чтобы он не рассеивался предметом, и никакие изменения не регистрировались. Недавно британские теоретики показали, что идея маскировки работает и во временной области: в зондирующем пучке можно создать «пробел», скрывающий от наблюдателя событие, которое попадает в этот промежуток. Для проверки вычислений учёные предлагали использовать нелинейное оптоволокно с интенсивным управляющим пучком, сильно увеличивающим показатель преломления. К сожалению, наблюдению маскирующего эффекта в этом варианте могут помешать сторонние оптические процессы вроде вынужденного комбинационного или бриллюэновского рассеяния.

Американцы реализовали идею своих коллег более простым способом, воспользовавшись тем, что уравнения, описывающие дифракцию пучка света и одномерное временное распространение импульса в среде с дисперсией, математически эквивалентны. Формальная аналогия позволяет создавать временные линзы, способные, к примеру, «сжимать» сигнал во времени. Подробное описание принципа работы временных линз можно найти в этой статье.

Рис. 1. a — пространственное преобразование Фурье световой волны можно получить с помощью обычной собирающей линзы. B — для временного Фурье-преобразования используются так называемые временные линзы. Входящий сигнал — световая волна, изображение во времени которой необходимо получить, — проходит через оптоволокно и попадает в кремниевый волновод, где смешивается с другой световой волной, идущей от лазера с синхронизованными модами (mode-locked laser). Назначение такого лазера — подача ультракоротких световых импульсов. Кремниевый волновод плюс лазер с синхронизованными модами вместе образуют временную линзу. Рис. из статьи в Nature

Для пояснения принципа работы временной линзы, разберемся вначале, что такое собирающая линза. Сразу можно сказать, что это прибор, который увеличивает изображение. Однако, это всего лишь частный случай свойств линзы. Главным ее свойством является способность фокусировать параллельный поток света в точку, расположенную на строго определенном расстоянии от линзы, в фокальной плоскости (и наоборот — превращать точечный источник света в фокальной плоскости в пучок параллельных лучей).

Если теперь в одну фокальную плоскость поместить не точечный и не равномерный источник света, а источник с некоторой пространственной периодичностью, то его свет, пройдя сквозь линзу, разложится в противоположной фокальной плоскости по разным компонентам периодичности (см. рис. 1а).

Таким образом, измерив это распределение компонентов на выходе, можно получить форму источника света. На языке оптики это означает, что линза выполняет пространственное преобразование Фурье.

Временная линза — это некоторое устройство, которое делает то же самое, но только не для пространственной, а для временной периодичности (см. рис. 1b). На вход устройства (то есть в первую «фокальную плоскость») подается световой импульс-сигнал с какой-то зависимостью от времени. Этот сигнал бежит по оптоволокну определенной длины до главного устройства — собственно «линзы». Там с ним происходят определенные изменения, затем импульс бежит по второму такому же оптоволокну до второй «фокальной плоскости» и там выводится наружу.

В полной аналогии с обычной линзой оказывается, что спектральное распределение (то есть распределение по длинам волн) светового сигнала на выходе в точности соответствует временному профилю сигнала на входе. А распределение по длинам волн зарегистрировать уже легко — это делается с помощью спектрометра (фактически, обычной призмы с массивом фотодатчиков). Таким образом, временной профиль исходного сигнала получается моментально, за одно спектральное измерение, и не требует никаких приемов вычислительной обработки. Это значит, что регистрировать и изучать такие импульсы можно, даже если они следуют один за другим с высокой частотой — идеальное условие для практических применений!

Рассмотрим, как же действует «сердце» временной линзы — устройство, которое как бы «преломляет во времени» проходящий сквозь него световой импульс. Для этого опять вернемся к обычной собирающей линзе. Свою работу она выполняет за счет того, что стекло в центре линзы толще, а по краям — тоньше. Из-за этого лучи, идущие прямо по центру линзы, задерживаются в стекле чуть дольше, чем идущие по краям. Такая специально созданная задержка по времени и приводит, в конце концов, к тому, что центральный луч не искажается, луч, идущий вверху, — загибается вниз, а луч, идущий внизу, — загибается вверх, так что все они стремятся сфокусироваться в фокальной плоскости.

Внутри временной линзы происходит нечто аналогичное. Там с помощью нелинейно-оптических эффектов создаются такие условия, чтобы часть светового импульса, пришедшая в некий определенный «нулевой» момент, не изменилась, часть импульса, пришедшая чуть раньше, приобрела чуть большую длину волны, а часть импульса, пришедшая позже, — чуть меньшую длину волны. Эти части импульса бегут затем по второму оптоволокну с разной скоростью и тоже стремятся сфокусироваться на выходе. Спектр этого сфокусированного сигнала и дает изображение временного профиля световой волны.

Рис.2. Сверху показана общая схема маскирующего устройства с двумя временными линзами. Исходный зондирующий пучок обозначен горизонтальными линиями, а наклонные линии отвечают за разные длины волн. В нижней части рисунка дана опытная схема. (Иллюстрация авторов работы.)

В экспериментальной схеме, разработанной авторами, зондирующий пучок непрерывного излучения от лазера, расположенного слева, падает на первую временную линзу, после чего зависимость длины волны излучения от времени меняется так, как показано на рисунке выше. Затем свет проходит через дисперсионный элемент, причём меньшие (б?льшие) длины волн распространяются быстрее (медленнее), чем излучение с исходной длиной волны, характерной для зондирующего пучка; это приводит к образованию упомянутого выше временн?го «пробела». Потом пучок направляется в одномодовое оптоволокно и подходит ко второй линзе, которая восстанавливает его исходное состояние, скрывая следы события, попавшего в «пробел», и присутствия самих линз.

Продемонстрировать возможности схемы физикам помог эффект четырёхволнового смешения, который наблюдается как появление третьей частотной составляющей на 1 539 нм (1 539 = 1 554 + 1 554 – 1 569) при взаимодействии в нелинейном волокне зондирующего пучка с длиной волны в 1 569 нм и короткого (5 пс) импульса на 1 554 нм. Если маскирующее устройство не работало, экспериментаторы, как и было задумано, каждые 24 мкс регистрировали сигнал на 1 539 нм, а включение устройства уменьшало амплитуду этого сигнала до уровня шума.

Рис. 3. Результаты регистрации сигнала, свидетельствующего о четырёхволновом смешении, при выключенном (синяя кривая) и включенном маскирующем устройстве (иллюстрация авторов работы).

Препринт статьи можно скачать с сайта arXiv.

Использованы материалы

science.compulenta.ru

elementy.ru

Tags: ,

Эта статья была опубликована: Суббота, июля 16, 2011 в 10:27 в категории Технологии. Вы можете читать любые ответы через RSS 2.0 feed. You can leave a response, or trackback from your own site.

Ваш комментарий

Имя (*)
email (*)
вебсайт
Комментарий
Перед отправкой формы:
Human test by Not Captcha