"Выстрел" лазерного луча впервые запечатлели на камеру
В голливудских фильмах лазеры всегда "выстреливают" чётким лучом-линией и поражают противника. Но физики знают, что в реальной жизни сфокусированный луч выглядит иначе. Для того чтобы увидеть некий источник света, его составляющие (фотоны) должны попасть в сетчатку глаза наблюдателя. Но поскольку фотоны лазера чётко сфокусированы в едином луче, все они движутся в одном направлении, и увидеть луч можно, только если часть частиц света отражается от некой поверхности (например, капель тумана, взвешенных в воздухе).
Незначительная часть фотонов в обычном лазерном луче рассеивается молекулами воздуха, но, как правило, такое рассеяние слишком слабое, чтобы его можно было увидеть невооружённым глазом. Обойти эту проблему можно, если пустить лазер сквозь облако дыма, увеличивая таким образом число молекул, которые рассеивают свет. Однако со стороны такое зрелище будет не по-голливудски мало впечатляющим.
"Мы поставили перед собой задачу снять видео о том, как свет движется сквозь воздух. Наблюдения необходимо было провести таким образом, чтобы не вмешиваться в сам процесс прохождения фотонов сквозь пространство", — рассказывает ведущий автор исследования Женевьев Гарипи (Genevieve Gariepy) из университета Гериот-Ватт в Эдинбурге.
Для проведения эксперимента Гарипи и её коллеги создали сверхчувствительную камеру, которая способна была уловить даже несколько рассеянных фотонов. Камеру сконструировали из квадратной сетки детекторов, на каждой стороне которой умещалось по 32 прибора. Детекторы регистрировали время, в которое фотон попадает на сетку с высокой точностью. Как поясняют исследователи, их камера была эквивалентна фотоаппарату, который снимает по 20 миллиардов кадров в секунду.
Учёные установили камеру таким образом, чтобы она снимала процесс прохождения зелёного лазерного луча сквозь объём комнаты и его отражение от массива зеркал сбоку. Затем в течение 10 минут Гарипи и её команда выпускали лазерные импульсы (всего вышло два миллиона) и запечатлевали их путь.
"Мы получили серию снимков, на которых виден свет, проходящий через систему зеркал. Наши данные мы совместили с видеорядом, снятым на обычную камеру, и искусственно окрасили увиденные фотоны в зелёный цвет, чтобы он соответствовал истинному цвету лазера", — рассказывает Гарипи, чья статья вышла в журнале Nature Communications.
Изначально эксперимент был чисто исследовательским опытом, но теперь учёные полагают, что созданная ими камера может иметь ряд практических применений.
Чтобы испытать возможности устройства, группа Гарипи провела ещё один эксперимент, в ходе которого она снимала процесс формирования плазмы при ионизации молекул воздуха лазером.
По словам исследовательницы, сконструированная её командой камера поможет учёным в изучении плазмы и её свойств, поскольку только такое сверхчувствительное устройство может продемонстрировать в подробностях все тонкости процесса ионизации газа.
Также новая камера может быть использована для измерения точного расстояния, которое преодолел фотон, прежде чем попасть в решётку детекторов или отразиться от зеркала. Эти данные могут быть незаменимы для проведения расчётов в рамках фундаментальных исследований.