在適當條件下，雷射光束也能投射陰影

今日發表於《光學》期刊的一篇新論文指出，物理學家成功揭示瞭如何讓雷射光束投射出與普通陰影無異的陰影。

有雷射光束陰影的攝影影像顯示，一道高功率綠色雷射光束（即被觀察物體）穿過一塊紅寶石立方體，並由藍光從側面照射。（A）一張白紙上有物體雷射光束投射的陰影照片，利用簡單透鏡將影像放大了約四倍。紅寶石立方體邊長約1.2公分，放大後的影像約4.8公分，所以無論放大與否，都呈現出肉眼所見的景象。（B）一張攝影影像，展示了周圍環境以作為比例尺參考。在物體光束和白紙之間的陰影路徑上放置了一支白色塑膠記號筆（即粗頭筆），相機焦距分別固定在（C）白紙或（D）記號筆上，由此顯示出陰影會沿著其投射表面的輪廓呈現。所有影像均在暗室中使用普通消費級數位相機拍攝。圖片出處：Abrahao等人，doi: 10.1364/optica.534596 。

布魯克海文國家實驗室的研究員拉斐爾·阿布拉奧博士表示：「過去人們認為雷射光不可能投射陰影，畢竟光通常會彼此穿透而不相互作用。」

他還提到：「我們所展示的這一極為反直覺的光學效應，促使我們重新審視對陰影的既有概念。」

為了證明雷射光束能因非線性光學過程而阻擋光線，並產生可見陰影，阿布拉奧博士及其同事使用了紅寶石晶體和特定的雷射波長。

當光以強度相關的方式與材料相互作用，且能影響另一個光場時，就會產生此種效應。

阿布拉奧博士稱：「我們對陰影的理解，是與對光和光學的認知同步發展的。」

他進一步表示：「這項新發現可能在諸多領域發揮作用，比如光學開關（即利用光控制另一束光的有無的裝置），或是像高功率雷射這類需要精確控制光傳輸的技術。」

在實驗中，研究人員將一束高功率綠色雷射穿過由標準紅寶石晶體製成的立方體，再從側面用藍色雷射照射。

當綠色雷射進入紅寶石時，它會區域性改變材料對藍色波長的響應。

此時，綠色雷射就如同普通物體，而藍色雷射則充當照明光源。

兩種光源的相互作用在螢幕上形成了一個陰影，表現為綠色雷射阻擋藍光的暗區。

這個陰影符合所有陰影的特徵，它肉眼可見，會沿著投射表面的輪廓呈現，也會跟隨充當物體的雷射光束的位置和形狀。

雷射陰影效應是紅寶石中光學非線性吸收的結果。

之所以會產生此效應，是因為綠色雷射增強了藍色照明雷射光束的光吸收，在照明光中形成了一個光強度較低的對應區域。

最終的結果就是出現一個較暗的區域，即綠色雷射光束的陰影。

阿布拉奧博士表示：「這項發現拓展了我們對光與物質相互作用的理解，也為以全新方式利用光開闢了新的可能性。」

研究人員透過實驗測量了陰影對比度與雷射光束功率的關係，發現最大對比度約為22%，與晴天時樹木陰影的對比度相近。

他們還建立了一個理論模型，並證明其能準確預測陰影對比度。

科學家們稱：「從技術角度看，我們所展示的效應表明，透過另一束雷射可以控制透射雷射光束的強度。」

他們還透露：「接下來，我們計劃研究其他能產生類似效應的材料和雷射波長。」

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拉斐爾·A·阿布拉奧等人，2024年。《雷射光束的陰影》，《光學》11捲11期，1549 - 1555頁；doi: 10.1364/optica.534596 。