Антиотражающий слой сделал мутную среду прозрачной

Европейские физики придумали, как сделать мутную рассеивающую среду полностью прозрачной для волн, установив перед ней особенным образом сконструированный антиотражающий слой. Они продемонстрировали работоспособность метода численно и экспериментально с помощью радиоволн. Исследование опубликовано в Nature.

Непрозрачность предметов может быть обусловлена различными причинами. Большинство из того, что нас окружает, не пропускает свет из-за его поглощения атомами и молекулами тела и последующего преобразования полученной энергии в тепло. Однако даже если резонансы внутри тела лежат на частотной шкале далеко от частоты падающей волны, непрозрачность все еще может иметь место из-за рассеяния на неоднородностях. По этой причине, например, непрозрачно матовое или битое стекло, в то время как целый кусок стекла будет пропускать свет.

Механизм рассеяния может различаться в зависимости от соотношений между размерами неоднородностей и длиной волны, а также между частотами, однако во всех случаях множественные случайные рассеяния приводят к перераспределению энергии падающей волны (в частности, плоской) по множеству направлений. Этот принцип универсален и поэтому выполняется и для других типов волн: звука, радиоволн и волн электронной вероятности.

Изучая рассеяние последнего типа в твердых телах, советский физик Олег Дорохов почти 40 лет назад заметил, что определенные комбинации падающих волн могут беспрепятственно проходить через рассеивающую среду. Такие комбинации были описаны и для других типов волн и получили название открытых каналов передачи. Благодаря прогрессу в области управления волновым фронтом открытые каналы были экспериментально обнаружены в оптике и акустике.

Суть эффекта такой прозрачности в многолучевой интерференции, которая конструктивна вперед и деструктивна назад. Физики активно ищут способы адаптировать этот принцип к как можно большему числу волновых фронтов. Один из способов, это структурирование самого материала таким образом, чтобы набор его открытых каналов передачи был как можно больше. Однако такой подход не позволит сделать прозрачными уже существующие тела, структура которых не только неизвестна, но и недоступна.

Группа физиков из Австрии и Франции под руководством Матье Дэви (Matthieu Davy) из университета Ренна пошли другим путем. Их идея заключается в размещении перед рассеивающим телом дополнительной структуры, которая преобразует все падающие волны в какие-либо состояния, принадлежащие набору открытых каналов передачи. Авторы показали, что для того, чтобы изготовить такую антиотражающую структуру, необязательно знать, как устроено рассеивающее тело изнутри: достаточно информации о том, как оно отражает волны назад. Предложенный способ может быть полезен при беспроводной передаче энергии на расстояние, а также в задачах биомедицинской диагностики.

К проблеме рассеяния какой-либо средой волны с произвольным фронтом можно подойти с точки зрения матричной алгебры. В этом случае каждое входное и выходное волновое состояние может быть описано вектором, отражающим разбиение волнового фронта по плоским волнам с различным направлением распространения. В общем случае такие вектора бесконечномерны, поскольку угол — это непрерывная величина, однако такой подход становится применимым при разумной дискретизации, а также при распространении волн в маломодовом волноводе, где может существовать считанное количество возможных мод.

Проходя через рассеивающую среду, интенсивности разных компонент перераспределяются. Это можно описать с помощью матрицы рассеяния, унитарной в случае отсутствия поглощения или иных диссипационных потерь. Матрица рассеяния известным образом строится через матрицы пропускания и отражения, информацию о которых легко извлечь из эксперимента.

Физики рассмотрели задачу прохождения волн через две следующих друг за другом среды, дальняя из которых обладает фиксированной структурой (исходная мутная среда), а ближняя подстраивается под нее. Они вывели зависимость матрицы отражения полной структуры от матриц отдельных слоев и выяснили, что она содержит нулевые решения, если матрицы отражения обеих сред друг в друга будут согласованы по обратному закону. В этом случае матрица пропускания полной структуры обращается в единичную.

Сначала ученые проверили свое открытие численно моделируя распространение в волноводе 4 и 7 электромагнитных мод для диапазонов 6,6–7,4 и 10,7–11,7 гигагерц через рассеивающую среду толщиной 20 сантиметров, состоящую из 17 тефлоновых и 3 металлических цилиндров. Перед ними встала задача сконструировать комплементарную ей среду, которую они решили также изготовить из тефлоновых и металлических цилиндров. Готового решения этой задачи не существует, поэтому авторы использовали алгоритм оптимизации полного пропускания, где в роли переменных параметров выступали координаты цилиндров. В частности, они применили градиентный спуск на базисе обобщенного оператора Вигнера — Смита, которых хорошо подходит для характеризации волновых фронтов.

Найдя необходимую конфигурацию, авторы убедились в работоспособности метода экспериментально, испуская и детектируя нужные моды с помощью массива антенн. Более того, решение оказалось не единственным. За счет дополнительной оптимизации физикам удалось сделать комплементарную среду толщиной всего с длину волны. Также они решили и противоположную задачу, сделав бислой полностью отражающим на нужных частотах.

Авторы также обратили внимание на то, что при прохождении волн через открытые каналы пропускания разупорядоченной среды, интенсивность излучения распределена в ней повсеместно. Это, в свою очередь, увеличивает время пребывания излучения в среде. Симуляции показали, что для полностью прозрачной среды время пребывания увеличивается более чем в два раза по сравнению со средним временем, достигаемым в случайной конфигурации. Для полностью отражающей среды, оно, наоборот, уменьшилось на 11 процентов.

Ранее мы рассказывали, как физики борются с паразитным отражением от стекол, покрывая их нанотекстурой.

Марат Хамадеев