Ветвление света в мыльной пленке оказалось чувствительно к когерентности

Израильские физики исследовали ветвление световых лучей в мыльных пленках. Они показали, что на этот процесс существенное влияние оказывает степень пространственной когерентности света. При ее исчезновении, однако, ветвление не исчезает, что свидетельствует о сложном механизме его формирования. Исследование опубликовано в Physical Review X.

Распространение волн можно на качественном уровне понять с помощью принципа Гюйгенса — Френеля. В его рамках все точки волнового фронта рассматриваются в качестве когерентных вторичных источников. Источники испускают сферические волны, участвующие в многолучевой интерференции, на основании которой формируется следующий волновой фронт. С помощью таких построений можно объяснить, почему в пустом пространстве или в оптически однородной среде сферический фронт волны будет оставаться таковым, а плоский фронт конечной длины — расширяться и расфокусироваться.

Если же среда сильно разупорядочена, то случайным будет и фронт прошедшей через него волны. Формируемая такими волнами случайная интерференционная картина называется спеклом. Спеклы можно увидеть, если посветить лазерным лучом на шероховатую поверхность или пропустить его через оптически-флуктуирующий раствор. Спекл-интерферометрия нашла применение в диагностике материалов, а также в микроскопии и астрономии.

Существует и промежуточный режим распространения волн. Он встречается в слабо разупорядоченных средах, в которых масштабы неровностей сильно превышают длину волны. В этом случае распространение волны напоминает молнию, дерево или дельту реки, отсюда и название этого явления: разветвленное течение (branched flow). Впервые оно наблюдалось для электронных волн в двумерном электронном газе, позднее — для микроволн в резонаторах, а совсем недавно — для света в тонких мыльных мембранах (хотя первые попытки наблюдения оптического ветвления вне контекста феномена датируются 2003 годом). Примечательно, что во всех случаях волны имели когерентный характер, в то время как предложенная для их описания теория пренебрегала интерференционными эффектами, оставаясь в рамках лучевой оптики.

Чтобы закрыть этот пробел, Анатолий Пацюк (Anatoly Patsyk) и его коллеги из университета Технион в Хайфе повторили эксперимент с мыльной пленкой, вставив после источника света вращающий диффузор, который помогал физикам контролировать пространственную когерентность света. Сравнивая разветвленное течение некогерентного света с когерентным случаем и с течением света со спекловой структурой, они обнаружили что в первом случае наблюдается меньше ветвей и меньший разброс по интенсивностям.

В пленке, которую изучали авторы, оптическая неоднородность возникала из-за вариации толщины, из-за которой менялся локальный эффективный показатель преломления. Чтобы визуализировать рефракционный ландшафт физики облучали ее белым светом и детектировали отраженный свет. Отдельные участки пленки за счет интерференции Фабри — Перо по своему отражали разные участки спектра. Анализируя этот сигнал, исследователи восстанавливали локальные толщины и локальные показатели преломления.

Авторы заводили в пленку свет, испущенный лазером на длине волны 532 нанометра. Они имели возможность как освещать всю ширину пленки, так и заводить излучение только в отдельно выбранную краевую точку. В состав пленки входили молекулы родамина, переизлучавшие проходящий через них свет, который фотографировала камера.

Сам по себе лазер испускает когерентный свет. Установка на пути луча диффузора придает ему спекловую структуру. Чтобы получить некогерентный или слабокогеретный свет, физики заставили диффузор вращаться с большой скоростью. Когда скорость вращения существенно превышает кадровую частоту камеры или глаза, видимое изображение представляет собой усреднение по интенсивности от картин, формируемых из множества спекл-структурированных лучей, каждый из которых соответствует своей ориентации диффузора. Это усреднение полностью эквивалентно некогерентному, либо слабо когерентному изображению.  

Сравнивая ветвистые световые потоки для всех трех случаев, сфотографированных при одинаковом рефракционном ландшафте пленки, авторы обнаружили, что отсутствие когерентности существенно меняет картину. В этом случае исчезает и сглаживается множество тонких черт ветвления вплоть до исчезновения некоторых ветвей. Ученые сделали вывод, что в формировании разветвленного течения света задействовано два механизма, один из которых общий как для когерентного, так и для некогерентного света. В частности, первый механизм основан на формирование каустик (то есть областей, где концентрируются лучи) и может быть описан в рамках геометрической оптики, а второй — специфично интерференционный и наблюдаемый только для когерентного излучения.

Основываясь на измеренном рефрактометрическом ландшафте пленки, физики провели симуляцию прохождения света для всех трех случаев. Для симуляции некогерентного случая они усредняли изображение на основе тысячи спекл-структурированных симуляций. Авторы сравнивали случаи, а также теорию и эксперимент, вычисляя статистические распределения интенсивностей и индексы мерцания.

Лучи в проделанном эксперименте двигались со световыми скоростями, что по меркам кадровой частоты типичной цифровой камеры практически мгновенно. Тем не менее, мы уже рассказывали, как съемка со скоростью 10 триллионов кадров в секунду позволяет заснять движение лазерного импульса.

Марат Хамадеев