Лазерные фракталы

Фрактальные узоры распространены в природе, включая геометрические узоры панциря черепахи, структуру скорлупы улитки, листья суккулентного растения, которые повторяются, образуя замысловатый узор, и рисунок от мороза на лобовом стекле автомобиля зимой.

Фракталы имеют отличительную особенность повторяющейся геометрии со структурой в нескольких масштабах и встречаются повсеместно, от брокколи до папоротников, и даже в более крупных масштабах, таких как солончаки, горы, береговые линии и облака. Формы деревьев и гор также самоподобны, так что ветка выглядит как маленькое дерево, а скалистый обрыв — как маленькая гора.

В течение последних двух десятилетий ученые предсказывали, что фрактальный свет может быть создан с помощью лазера. Обладая высоко полированными сферическими зеркалами, лазер — это почти полная противоположность естественной природе, и поэтому стало неожиданностью, когда в 1998 году исследователи предсказали фрактальные световые лучи, излучаемые лазерами. Теперь ученые из Южной Африки и Шотландии продемонстрировали, что фрактальный свет может быть создан из лазера, подтверждая предсказание двух десятилетий.

Сообщая об этом в Physical Review A, исследователи предоставляют первые экспериментальные доказательства фрактального света от простых лазеров и добавляет новое предсказание: фрактальная модель должна существовать и в 3D, а не только в 2D, как считалось ранее.

Природа создает такие «узоры внутри узоров» многими рекурсиями простого правила, например, чтобы создать снежинку. Компьютерные программы также создают фракталы, многократно повторяя правило, создавая множество Мандельброта.

Свет внутри лазеров также циклически перемещается назад и вперед, отражаясь между зеркалами на каждом проходе. Это выглядит как рекурсивный цикл, повторяющий простое правило снова и снова. Отображение означает, что каждый раз, когда свет возвращается к плоскости изображения, он представляет собой уменьшенную (или наоборот большую) версию того, чем он был: шаблон в шаблоне в шаблоне.

Фракталы находят применение в визуализации, сетях, антеннах и даже в медицине. Ученые ожидают, что открытие фрактальных форм света, которые могут быть спроектированы непосредственно от лазера, должно дать доступ к новым приложениям и технологиям, основанные на этих экзотических состояниях структурированного света.

Объясняя открытие фрактального света, исследователи говорят, что они понимали важность того, где искать фракталы в лазере. «Посмотрите на неправильное место внутри лазера, и вы увидите только размазанный шарик света. Посмотрите в правильном месте, где строится изображение, и вы увидите фракталы».

«Что удивительно, так это то, что, как и предполагалось, единственным требованием для демонстрации эффекта является простой лазер с двумя полированными сферическими зеркалами. Он был там все время, просто трудно понять, смотрели ли вы в нужное место», — говорят ученые.

Hend Sroor et al, Fractal light from lasers, Physical Review A (2019). DOI: 10.1103/PhysRevA.99.013848