Інженери з Каліфорнійського технологічного інституту розробили надшвидку камеру, здатну знімати зі швидкістю мільярд кадрів на секунду, та «впіймали» хаотичний шлях лазерного променя — свідчення оптичного хаосу. Здатність виявляти хаотичну динаміку світла в реальному часі і, отже, контролювати її поведінку має вирішальне значення для подальшого розуміння і розробки подібних систем, повідомляють вчені у Science Advances.
Два імпульси лазерного світла проходять різні шляхи, відображаючи хаотичність. Caltech
Звідки береться оптичний хаос?
Ми можемо вивчати різні закони природи завдяки тому, що можемо передбачити майбутню поведінку тієї чи іншої системи. Втім, у природі існують системи, в яких результат конкретної дії залежить від впливу на них на початку, і майбутня поведінка яких непередбачувана для всіх практичних застосувань. Це називають детермінованим хаосом, який проявляється у надзвичайно високій чутливості до початкових умов. У лабораторіях він зачіпає, наприклад, хімічні реакції, а у природі накладає обмеження на можливість моделювання метеорологічних процесів, бо найменша похибка у зібраних даних призводить до зовсім іншого результату. Найпростіший приклад — маятники. Якщо взяти два однакових маятника, поставити поруч і відхилити їх приблизно на рівну величину, то вже через кілька коливань маятники все одно розсинхронізуються.
В області фотоніки є свій власний хаос, оптичний. Він породжується нестійкостями у в напівпровідникових і волоконних лазерах та спостерігається у багатьох нелінійних оптичних системах. Один із найпоширеніших прикладів — оптичні кільцеві резонатори, в яких світло поширюється по замкнутій траєкторії в одному напрямку. Оптичний хаос був популярною областю досліджень в середині 1980-х років, але останнім часом спостерігається відродження досліджень в контексті вивчення явищ синхронізації і розробки методів безпечного оптичного зв'язку.
Навіщо вчені його ловили?
Оптичні системи виявилися перспективними для вивчення хаотичної поведінки загалом. Різні механізми лазерної нестійкості, ефект Керра, подвоєння і потроєння частоти оптичного випромінювання. Розуміння цих хаотичних явищ в різних оптичних системах має значення як для запобігання хаосу, коли потребується стабільність системи, так і для створення регульованого інженерного хаосу для збільшення продуктивності.
Втім, досі вивчення оптичних хаотичних систем опиралося на статичні зображення і спектральні вимірювання, а отже вдавалося виявити лише усереднені за часом ефекти, без інформації про динаміку та чутливість. Адже сама по собі точна повторюваність вступає у протиріччя з неповторністю хаосу. Реєстрації оптичних хаотичних систем в реальному часі заважає надшвидкий рух фотонів, потрібен час експозиції нижче пікосекунди або швидкість знімання вище мільярда кадрів в секунду.
На що знімали хаос?
Можливість зняти події, які займають мільйонні частки секунди, грає важливу роль для розуміння фізичних, хімічних і біологічних процесів і завдяки швидкісному зніманню можна вивчати динаміку взаємодії між зарядженими частинками, фотосинтез і перехідні стани в хімічних реакціях. Як правило, дослідники використовують камери, які послідовно фіксують кадри один за іншим, після чого склеюють отримані зображення, однак такий метод можна застосовувати тільки для повністю відтворюваних процесів. У цій же роботі вчені досліджували хаотичну порожнину, де світло кожного разу рухалося б інакшим шляхом. Тому вони використовували метод стислої надшвидкої фотографії (CUP), яка здатна забезпечувати швидкість до 10 трильйонів кадрів у секунду, що дає змогу впіймати світло у русі.
Як його вдалося упіймати?
Оптичні хаотичні системи побудовані на основі класичної теорії більярдного хаосу — динамічної системи, де рух частки чергується між вільним рухом(зазвичай у формі прямої лінії) та дзеркальним відбиттям від меж(бортиків). Поширення світла у замкнених лінійних 2D-порожнинах зі спеціальною конфігурацією кордонів так само проявляє хаотичні властивості. Щоб впіймати динаміку поширення світла, вчені використали фемтосекундні лазерні імпульси з довжиною хвилі 800 нанометрів, які подавалися у двовимірний резонатор під невеликим кутом. Експериментальні результати показують, що дві траєкторії майже збігаються на початку, але починають істотно розходитися через 900 пікосекунд. Чутливість до початкових умов вказує на хаотичність поширення світла, і у теорії хаосу така поведінка належить до категорії детермінованого хаосу.
Доповнено о 13:38: Спочатку у статті було вказано, що хаотичність визначили за різницею у траєкторії двох потоків світла, які розійшлися з часом. Однак, варто додати, що під час експерименту, у змодельованих вченими умовах, вони спостерігали два види поведінки лазерних променів: звичайний і хаотичний. І хаотичність поведінки одного з них визначили за відхиленням від траєкторії першого, що вказало на залежність від початкових умов, а отже і на оптичний хаос.