Исследователи и инженеры давно искали способы скрыть объекты, манипулируя тем, как свет взаимодействует с ними. Новое исследование предлагает первую демонстрацию маскировки невидимости, основанную на манипулировании частотой (цветом) световых волн при прохождении через объект, принципиально новый подход, который преодолевает критические недостатки существующих технологий клоакинга.
По словам исследователей, этот подход может быть применим для обеспечения передачи данных по оптоволоконным линиям, а также для улучшения технологий зондирования, телекоммуникаций и обработки информации. Концепция, теоретически, может быть расширена, чтобы сделать 3D-объекты невидимыми со всех сторон; значительный шаг в развитии практических технологий маскировки невидимости.
Самые современные маскирующие устройства могут полностью скрывать объект, представляющий интерес, только когда объект освещен только одним цветом света. Тем не менее, солнечный свет и большинство других источников света являются широкополосными, что означает, что они содержат много цветов. Новое устройство, называемое спектральным невидимым плащом, предназначено для полного скрытия произвольных объектов под широкополосным освещением.
Спектральный плащ работает путем избирательной передачи энергии от определенных цветов световой волны к другим цветам. После того, как волна прошла через объект, устройство восстанавливает свет в исходное состояние. Исследователи демонстрируют новый подход в Optica - журнале Optical Society для исследований с высоким уровнем воздействия.
«Наша работа представляет собой прорыв в поисках маскировки невидимости», - сказал Хосе Азана, Национальный институт научных исследований (INRS), Монреаль, Канада. «Мы сделали объект цели полностью невидимым для наблюдения при реалистичном широкополосном освещении, распространяя волну освещения через объект без видимых искажений, точно так же, как если бы объект и плащ отсутствовали».
Преодоление прежних барьеров
При просмотре объекта то, что вы действительно видите, - это способ, которым объект изменяет энергию взаимодействующих с ним световых волн. Большинство решений для маскировки невидимости включают в себя изменение путей, которые следует за светом, так что волны распространяются вокруг объекта, а не через него. Другие подходы, называемые «временным клоакированием», влияют на скорость распространения света, так что объект временно скрывается, когда он проходит через луч света в течение заданного периода времени.
В любом из подходов разные цвета входящей световой волны должны следовать по разным путям, когда они проходят через устройство клоакинга, таким образом, занимая разные промежутки времени, чтобы добраться до места назначения. Это изменение временного профиля волны может сделать очевидным для наблюдателей, что что-то не так, как должно быть.
«Обычные маскировочные решения полагаются на изменение пути распространения освещения вокруг объекта, который нужно скрывать, поэтому разные цвета занимают разные промежутки времени, чтобы пересечь плащ, что приводит к легко обнаруживаемому искажению, которое отдает присутствие плаща», сказал Луис Ромеро Кортес, Национальный институт научных исследований (INRS). «Наше предлагаемое решение позволяет избежать этой проблемы, позволяя волне распространяться через целевой объект, а не вокруг него, все же избегая любого взаимодействия между волной и объектом».
Изменение цвета
Азана и его команда достигли этого, разработав метод перераспределения различных цветов широкополосного света, чтобы световая волна распространялась через объект, фактически не «видя» его. Для этого устройство клонирования сначала смещает цвета в области спектра, которые не будут затронуты распространением через объект. Например, если объект отражает зеленый свет, тогда свет в зеленой части спектра может быть сдвинут на синий, чтобы не было зеленого света, чтобы он отражался. Затем, как только волна очистит объект, устройство клонирования отменяет сдвиг, восстанавливая волну в исходном состоянии.
Команда продемонстрировала свой подход, скрыв оптический фильтр, который является устройством, которое поглощает свет в заданном наборе цветов, позволяя пропускать другие цвета света, чтобы они освещались коротким импульсом лазерного излучения.
Устройство клоакинга было построено из двух пар двух коммерчески доступных электрооптических компонентов. Первым компонентом является дисперсионное оптическое волокно, которое заставляет разные цвета широкополосной волны перемещаться с разной скоростью. Второй - фазовый модулятор, который изменяет оптическую частоту света в зависимости от того, когда волна проходит через устройство. Одна пара этих компонентов была помещена перед оптическим фильтром, а другая пара была установлена за ним.
Эксперимент подтвердил, что устройство смогло трансформировать световые волны в диапазоне частот, которые были бы поглощены оптическим фильтром, а затем полностью изменить процесс, когда световая волна вышла из фильтра с другой стороны, заставив его выглядеть как бы лазерный импульс распространялся через непоглощающую среду.
Использование маскировки для использования
В то время как новый дизайн нуждается в дальнейшем развитии, прежде чем его можно будет перевести в плащ-невидимку в стиле Гарри Поттера, продемонстрированное спектральное маскирующее устройство может быть полезно для целого ряда целей безопасности. Например, современные телекоммуникационные системы используют широкополосные волны в качестве сигналов данных для передачи и обработки информации. Спектральную маскировку можно использовать для выборочного определения, какие операции применяются к световой волне и которые в течение определенного периода времени «невидимы» для нее. Это может помешать подслушиванию собирать информацию, исследуя волоконно-оптическую сеть с широкополосным освещением.
Общая концепция обратимого, определяемого пользователем спектрального перераспределения энергии также может найти применение за пределами маскировки невидимости. Например, выборочное удаление и последующее восстановление цветов в широкополосных волнах, которые используются в качестве сигналов данных электросвязи, могут позволить передавать больше данных по данной линии связи, помогая облегчить логарифмы по мере того, как требования к данным продолжают расти. Или эта методика может быть использована для минимизации некоторых ключевых проблем в современных широкополосных телекоммуникационных каналах, например, путем реорганизации энергетического спектра сигнала, чтобы сделать его менее уязвимым для дисперсии, нелинейных явлений и других нежелательных эффектов, которые ухудшают сигналы данных.
В то время как исследователи продемонстрировали спектральное маскирование, когда объект освещался только с одного пространственного направления, Азана сказал, что должно быть возможно расширить концепцию, чтобы сделать объект невидимым при освещении со всех сторон. Команда планирует продолжить исследование этой цели. В то же время команда также работает над продвижением практических приложений для однонаправленного спектрального клоакинга в одномерных волновых системах, например, для приложений на основе волоконной оптики.
