科學人／研究證實雷射光可投射出陰影 「光控光」技術未來將實現？

「光有沒有影子？」這聽起來像是哲學上的難題，最近發表於《光學》（Optica）上的研究指出，在特定條件下，雷射光束竟然可以像不透明物體一樣，投射出陰影。

從午餐話題到科學突破

布魯克海文國家實驗室（Brookhaven National Laboratory）的科學家們在一次午餐時聊到，3D模擬軟體裡經常將雷射光束繪製成實心的柱狀物，忽略了雷射的物理特性，使得雷射光束的影子被描繪出來。於是他們就好奇：既然軟體可以「假裝」雷射有陰影，那麼現實中這種情況是否真的存在？

結果，這個飯後話題，成了研究團隊的實驗課題。帶頭的科學家拉斐爾·A·阿布拉奧（Raphael A. Abrahao）表示：「這實驗從一場好玩的聊天開始，但結果讓我們對光的理解完全改觀。」

雷射光如何產生陰影？

研究人員在實驗中使用了一塊標準紅寶石晶體，並讓高功率綠色雷射光束穿過晶體，同時用藍色雷射從側面照射。當綠色雷射進入紅寶石後，它改變了晶體內部對藍光的光學反應。

兩個光源之間的相互作用在螢幕上產生了一個陰影，顯示為綠色雷射阻擋藍光的暗區。這塊暗區滿足陰影的所有標準：肉眼可見，遵循其落在表面的輪廓，並且與作為物體的雷射光束的位置和形狀一致。

這種陰影現象背後的原因是「非線性光學吸收」效應。當綠色雷射進入紅寶石時，局部增強了對藍光的吸收，導致藍光在螢幕上的部分區域變得更暗。

陰影的對比度與精確度

研究團隊進一步測量了陰影的對比度，發現最大對比度約為22%，這相當於晴天時樹影的清晰度。這項實驗不僅在理論上滿足了陰影的所有定義，也通過實驗證實了其可重現性。

此外，團隊還開發了一個理論模型，準確預測了陰影對比度與雷射功率之間的關係，為未來的光學應用提供了數據基礎。

實現「光控光」的可能性

這項發現不僅具有學術意義，還可能帶來實際應用。例如，在光學開關中，雷射光可用來控制另一道光的傳輸，實現「光控光」的技術，為高功率雷射設備提供更精確的光線控制方法。

阿布拉奧表示：「這不僅僅是一個有趣的現象，它擴展了我們對光與物質相互作用的理解，並可能在未來帶來革命性的技術應用。」

資料來源：

1. Scientists discover laser light can cast a shadow

2. Raphael Abrahao et al, The shadow of a laser beam, Optica (2024). DOI: 10.1364/OPTICA.534596

（本文出自2024.11.15《科學人》網站，未經同意禁止轉載。）