Ett team av forskare har utvecklat ett sätt att avsevärt öka minnet av fläckmönster, de mycket komplexa mönstren som uppstår när ett laserljus lyser på ett ogenomskinligt ark, som papper, biologisk vävnad, eller dimma.
Metoden, utvecklad av forskare från Yale, Bilkent University, National Nanotechnology Research Center (UNAM), Wiens tekniska universitet, och University of Southern California, har potentiella tillämpningar för sådana områden som biomedicinsk bildbehandling, optisk metrologi, och kvantinformationsvetenskap. Resultaten publiceras i Fysisk granskning X .
Speckmönster kan jämföras med vad som händer när många droppar vatten faller på ytan av en pöl samtidigt, vilket resulterar i ett vågmönster som snabbt blir mycket komplext. De fläckmönster som skapas av ljus har ett visst "minne, ' som forskare tidigare hade använt för att utveckla en metod för att visualisera föremål gömda bakom ett ogenomskinligt lager. Metoden går ut på att passera ljus genom ett ogenomskinligt lager (som en vägg) för att skapa ett spräckligt ljusmönster bakom lagret. Även om det ger intrycket av att vara helt slumpmässigt (se figur 1), det spräckliga mönstret innehåller vissa korrelationer, vilket resulterar i ett "vinkelminne" - det vill säga, lutning av den infallande laserstrålen på den ogenomskinliga skiktytan med en liten vinkel ger samma transmitterade fläckmönster men med en vinkellutning (se figur 2). Riktningen och vinkeln för denna lutning bakom det ogenomskinliga lagret är samma som lutningsriktningen och vinkeln vid ingången.
Med denna nya studie, fastän, det är nu möjligt att fläckmönstret som bildas på baksidan kan lutas i valfri riktning, oavsett lutningsvinkel och riktning för laserljus på den ogenomskinliga ytan. Kärningrediensen i den nya metoden är "transmissionsmatrisen" för det ogenomskinliga lagret, vilket ger förhållandet mellan laserljuset på den ogenomskinliga ytan och laserljuset som passerar bakom den. Med hjälp av den experimentellt bestämda transmissionsmatrisen, laserljus på ytan formas rumsligt med hjälp av en anordning som kallas en rumslig ljusmodulator. Detta rumsligt formade ljus anpassar vinkelminneseffekten, tillåta den överförda fläcken att bete sig som önskat.
Man trodde tidigare att vinkelminneseffekten är en fysisk egenskap hos det ogenomskinliga materialet. Genom det tänket, prestandan hos avbildningsmetoderna som använder denna minneseffekt skulle begränsas av materialets fysiska egenskaper.
"I vår studie, fastän, vi har visat att denna uppfattning är alldeles för pessimistisk, " sa studiens huvudförfattare, Hasan Yilmaz, biträdande professor vid Bilkent University, UNAM. "Vinkelminnet för ljusvågorna som passerar genom det ogenomskinliga skiktet kan modifieras oberoende av de fysiska egenskaperna hos det ogenomskinliga materialet, genom att kontrollera formen på det infallande ljuset."
Det är ett genombrott som öppnar nya möjligheter för tekniken.
"Vår metod har den lovande egenskapen att den även kan användas för olika minneseffekter i andra komplexa system som optiska fibrer och kaotiska system, " sade studiens seniorförfattare, Hui Cao, John C. Malone professor i tillämpad fysik, professor i fysik, och professor i elektroteknik.
Prof. Stefan Rotter från Wiens tekniska universitet i Österrike noterade att resultaten på ett bra sätt visar kraften i att forma ljusvågor i rummet.
"Dessutom, de väcker också en mängd följdfrågor, såsom huruvida minneseffekten i det överförda utgångsfläckmönstret också har intressanta konsekvenser för ljusfälten inuti det opaka mediet, " han sa.
En annan tillämpning av den nya metoden är inom kvantinformationsvetenskap. Tidigare, forskare visade att vinkelminneseffekten är närvarande även för kvantljus genom spridningsmedia. Med den nya metoden, kvantvinkelkorrelationer av intrasslade fotoner som är spridda genom ett komplext medium kan anpassas. Sådan frihet att modifiera kvantkorrelationer kommer att ha tillämpningar inom kvantavbildning och metrologi.
