В Международный день цвета, который отмечается в мире 21 марта, ассистент кафедры Фотоники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Александр Эдуардович Дегтерев рассказал о том, как свет позволяет человеческому глазу видеть богатую палитру красок окружающего мира, а также как ученые используют световые волны для решения различных фундаментальных и прикладных задач.
– Расскажите о том, что такое цвет с научной точки зрения? Например, флаг России окрашен в целых три разных цвета: белый, синий и красный. Как человек видит те или иные цвета и различает их?
– Для начала нужно пояснить, что такое световые волны. Собственно, это электромагнитные волны оптического диапазона. Оптический диапазон является частью спектра электромагнитных колебаний, длина волн которых лежит в пределах от 1 нанометра до 1 миллиметра. Внутри оптического диапазона выделяют ультрафиолетовый, видимый – длина световой волны от 380 нанометров до 780 нанометров и инфракрасный – длина волны до 1 миллиметра. А наука, которая изучает взаимодействие световых волн с материалами на микро- и наноуровне, называется фотоника.
Теперь вернемся к цветам на флаге. Когда вы смотрите на него и воспринимаете цвета, происходит интересное физическое явление. Цвет флага – это результат взаимодействия его поверхности и света. Белый, синий и красный цвета, которые вы видите на флаге, обусловлены свойствами материалов, из которых он состоит, и каждый цвет соответствует определенной длине волны электромагнитного излучения. Когда свет падает на флаг, его материал поглощает некоторые длины волн и отражает другие. То, что вы видите как цвета, это свет, который отражается различными материалами флага в ваш глаз, активируя фоторецепторы и создавая у вас ощущение определенного цвета.
То есть, каждый цвет воспринимается глазом, как результат отражения материалом флага определенной длины волны. Таким образом, вы не видите световые волны, а воспринимаете цвета благодаря отражению света различными частями флага, что создает окраску, которую вы наблюдаете.
– Получается, что глаз выполняет роль сенсора?
– Правильно. Глаз – это сложная оптическая система, которая играет ключевую роль в процессе восприятия цвета и изображения. Орган зрения человека состоит из двух глазных яблок, двух глазных нервов и части мозга, принимающей и перерабатывающей передаваемую нервами информацию.
Глазное яблоко состоит из нескольких основных частей, каждая из которых выполняет свою уникальную функцию. Роговица – прозрачная внешняя оболочка глаза, которая фокусирует свет на радужку. Зрачок – отверстие, через которое свет попадает внутрь глаза, а радужка – мышца, контролирующая диаметр зрачка и, следовательно, количество света, попадающего в глаз. Хрусталик – линза глаза, которая фокусирует свет на сетчатку. Сетчатка – это ткань, которая содержит фоторецепторы (колбочки и палочки), способные реагировать на различные длины волн света и передавать информацию по глазному нерву к мозгу. Всего в сетчатке около 120 млн палочек и приблизительно 7 млн колбочек, а волокон зрительного нерва от них отходит примерно только один миллион.
Поэтому изображение на сетчатке разбивается примерно на миллион элементов – рецепторных полей. Когда свет попадает в глаз и проходит через все эти структуры, он фокусируется на сетчатке, где фоторецепторы преобразуют его в электрические сигналы. Эти сигналы затем передаются по глазному нерву к мозгу, где происходит восприятие изображения и цвета.
– Значит, мы не можем «увидеть» волны других диапазонов?
– Наше восприятие света связано с особенностями сетчатки глаза. Световая чувствительность у колбочек меньше, чем у палочек, но именно колбочки обеспечивают цветовое зрение. Существует три вида колбочек, отличающиеся друг от друга по своей спектральной чувствительности. Один вид более чувствителен к коротковолновой части видимого диапазона спектра, другой к средней части, третий – к длинноволновой. Условно их можно назвать синими, зелеными и красными колбочками.
Глаз чувствителен к видимому диапазону длин волн, который включает излучение с длинами волн примерно от 380 до 780 нанометров. Другие области оптического диапазона, такие как инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, не воспринимаются глазом человека.
Например, инфракрасное излучение, которое имеет более длинные волны, используется в термографии и других технологиях для измерения теплового излучения. Наш глаз не чувствителен к этому диапазону, поэтому мы не можем видеть инфракрасный свет напрямую. А ультрафиолетовое излучение, с волной короче видимого света, может вызывать повреждение сетчатки глаза, поэтому для защиты глаз используются солнцезащитные очки.
Таким образом, наше ощущение света ограничено видимым диапазоном, и мы не способны видеть волны других диапазонов без специальных устройств или технологий.
– Тем не менее, можно ли сказать, что другие не световые волны тоже создают цвета? Просто человеческий глаз их не видит.
– Хотя длины волн видимого диапазона связаны с цветом, это не одно и то же. Цвет не является объективно реальным. Например, не существует отдельного фотона (кванта света), который мог бы передать пурпурный цвет. Он представляет собой комбинацию «красного» и «синего» фотона.
А те фотоны, которые находятся за пределами видимого спектра, не возбуждают наши фоторецепторы. Это происходит не потому, что им не хватает каких-то особых свойств цвета, которыми обладают другие фотоны. Просто наши фоторецепторы не чувствительны к этим частотам.
Кроме того, ни у одного фотона, видимого или нет, не существует особого цветового свойства. Нет никакой физической разницы между фотоном видимого света и фотоном за пределами видимого спектра.
Например, пчёлы «не знают» красного цвета и не отличают его от чёрного, но зато воспринимают невидимые для нас ультрафиолетовые лучи. Ультрафиолет различают также некоторые бабочки, муравьи и другие насекомые.
Более того, существует такое заболевание – афакия: отсутствие хрусталика вследствие хирургического удаления катаракты или врожденных дефектов. Люди, которые ему подвержены обладают ультрафиолетовым зрением. Линза обычно блокирует ультрафиолетовый свет, поэтому без нее люди могут видеть за пределами видимого спектра и воспринимать волны длиной до 300 нанометров как сине-белые.
– Теперь понятно, как световые волны и глаза позволяют человеку видеть предметы и их цвета вокруг себя. А можно ли их использовать для решения каких-либо других задач?
– Конечно, оптический диапазон спектра используется для различных инновационных разработок и исследований, и его применение не ограничивается только визуальным восприятием цветов и предметов в окружающем мире.
Для каждого устройства подбирается спектральный диапазон, который обеспечивает наибольшую эффективность его работы или необходимые другие технические параметры. Например, для солнечных батарей используют кремний, который имеет достаточно высокую чувствительность в спектральном диапазоне, где излучение Солнца, падающего на поверхность Земли, имеет наибольшую интенсивность.
Если говорить о кафедре Фотоники в ЛЭТИ, то сегодня там проводятся исследования в области агробиофотоники, направленные на использование различных спектральных диапазонов для изучения биометрических и фитохимических характеристик развития сельскохозяйственных культур.
Важным направлением исследований на кафедре является разработка и создание вместе с партнерами из ФТИ им. Иоффе РАН мощных полупроводниковых лазеров на длины волн 0.8 – 1.6 мкм, а также создание на их основе приборов различного назначения, включая лидары и спектрометрические системы, компоненты волоконно-оптических линий связи, фотонные интегральные схемы. Ведутся работы по разработке лидарных устройств для безопасного для глаз диапазона 1.55 микрометра.
Также на кафедре Фотоники были созданы спектральные сенсоры на основе deep UV светодиодов и методики анализа для применения в медицинских POCT (point-of-care testing) системах и контроля качества пищевых продуктов. Были разработаны фотоприемники для ультрафиолетового диапазона спектра, которые могут использоваться для детектирования УФ-сигнала на фоне сильного излучения видимого диапазона спектра, например, пламени в печи. УФ-фотоприемники находят широкое применение в различных областях науки, таких как медицина, биология и др.
Лаборатория органических фоточувствительных структур (ЛОФС) кафедры фотоники решает задачи в области разработки методик создания фотоприемников нового поколения на основе органических материалов и гибридных органо-неорганических структур для разных диапазонов спектра. В настоящее время одним из перспективных направлений развития электроники являются фотонные интегральные схемы. Для них предполагается разработать гибридный органо-неорганический фотоприемник, который будет интегрирован вместе с волноводной структурой. Это позволит отказаться от дискретных фотодиодов, что уменьшит стоимость таких систем и позволит избежать проблем, связанных с вводом-выводом излучения.
