Vědci z Telavivské univerzity vyvinuli novou metodu, která umožňuje změnu frekvence světla, a tím i jeho barvy, i když je toto světlo náhodné a neuspořádané, na rozdíl od světla laserového. Výzkumný tým objasnil, že po mnoho let bylo za obecně platné považováno, že nelineární optické procesy, které mění frekvenci světelného zdroje, vyžadují k použití koherentní, homogenní a synchronizované světlo, jako je tomu v případě laseru.

Ve skutečnosti se studium nelineárních optických procesů začalo až po vynálezu laseru před přibližně 65 lety. Mnohé známé zdroje světla, jako je sluneční světlo nebo světlo vycházející z fluorescenčních žárovek, nejsou koherentní a byly tedy považovány za nevhodné pro tyto procesy, jelikož světlo, které vyzařují, je rozptýlené a náhodné. Nový výzkum tuto představu zpochybňuje a ukazuje, že je možné „uspořádat“ náhodné světlo tak, aby po změně frekvence vytvořilo paprsek světla s požadovanými vlastnostmi. Vědci uvedli: „Jedná se o průlom v oblasti optiky, který by mohl v budoucnu ovlivnit technologie zobrazování, mikroskopii a pokročilé medicínské aplikace.“

Výzkum vedl doktorand Ziahao Pang a profesor Adi Arye, vedoucí katedry nanofotoniky pojmenované po Marku a Lucii Shaulových na Fakultě elektrotechniky a informatiky Telavivské univerzity. Výsledky výzkumu byly publikovány v časopisu Light Science and Applications a jeho stručný přehled byl vybrán, aby se objevil v seznamu průlomových objevů v oblasti optiky pro rok 2025 v časopisu Optics & Photonics News.

Fyzikální proces zdvojení frekvence

V centru výzkumu stojí fyzikální proces zdvojení frekvence, při kterém se barva světla mění při průchodu nelineárním krystalem. V provedeném experimentu byl světelný paprsek o infračervené vlnové délce převeden na zelené světlo po průchodu skrze nelineární krystal. Místo spoléhání se na homogenní, koherentní a „uspořádaný“ paprsek vědci použili neuspořádané světlo, jehož statistické vlastnosti byly předem navrženy. Když toto světlo přešlo přes nelineární krystal, vytvořil se nový paprsek světla, jehož koherentní vlastnosti, jako je míra uspořádanosti a tvar, byly předem určeny výzkumníky.

Příklad ilustrace

Pro názorné jednoduché a zábavné představení nápadu vytvořili vědci vzor „usměvavé tváře“ ze zcela náhodného světla. Každý jednotlivý obrazec vypadal jako náhodná kombinace skvrn světla, ale když mnoho snímků spojili, objevila se jasná postava „usměvavé tváře“. To znamená, že i z na první pohled neuspořádaného světla je možné extrahovat informace a vytvořit jasný obraz.

Unikátní vlastnosti nesourodých paprsků

Kromě toho vědci prokázali, že pomocí této metody lze vytvářet nesourodé paprsky s unikátními vlastnostmi, které se v současnosti využívají v pokročilém výzkumu, optické komunikaci a precizních měřeních, jako jsou například vírové a Airyho paprsky. To vše přitom obejde nutnost využití koherentního laserového světla.

Možnosti nového výzkumu

Vědci dodali, že schopnost ovládat náhodné světlo otevírá nové možnosti, zvláště v oblastech, kde koherentní a uspořádané paprsky nejsou k dispozici, například když světlo musí procházet biologickými tkáněmi, které rozptylují, nebo turbulentním atmosférickým prostředím. Výzkum naznačuje, že i v těchto případech je stále možné změnit frekvenci světla a tvarovat jeho koherenci.

Výzkum byl podpořen Národní vědeckou nadací a Centrem pro interakci světla a hmoty na Telavivské univerzitě.