Запредельная оптика

В обычном нашем представлении оптика является одним из самых традиционалистских и "застойных" разделов физики. Что тут можно открыть? И так все ясно. Свет отражается от зеркал строго с тем же углом, под каким он на них падает. Линзы фокусируют свет всегда в одну точку. Ну и так далее. Однако оказывается, и здесь могут появляться новшества, способные удивить нас. Исследователи, занимающиеся так называемой экстремальной оптикой, ищут возможности обойти или даже нарушить общепринятые законы физической оптики, что может коренным образом изменить многие привычные технологии.

В начале года весь мир узнал о том, что двум группам физиков удалось остановить лазерный луч, а затем снова позволить ему двигаться дальше. Между тем, осталось незамеченным другое достижение в этой области. Сотрудники Исследовательского института компании NEC, расположенного в Принстоне, сумели заставить лазерный импульс преодолеть скорость света в вакууме. Физики обстреливали небольшую камеру с газообразным цезием двумя лазерами со специально подобранной частотой. Лазеры вводили атомы цезия в особое рефракционное состояние, которое приводило к тому, что скорость луча, посланного в камеру, оказалась больше скорости света. Визуально это выразилось в том, что луч выходил из камеры на 60 наносекунд раньше, чем он туда вошел. На сайте института можно посмотреть видеоролик, показывающий ход эксперимента

Ученые особо отмечают, что эксперимент ни в коей мере не нарушает Общую теорию относительности Эйнштейна. Дело в том, что квантовые характеристики вещества не позволяют передавать информацию быстрее скорости света в вакууме.

Как остановка света, так и его сверх-ускорение могут дать импульс развитию квантовых компьютеров. Они могли бы оказаться сейчас весьма кстати. Например, американские СМИ сетуют на то, что у ФБР не хватает вычислительных мощностей для расшифровки посланий потенциальных террористов. А криптография является как раз областью, где с нетерпением ждут новых суперкомпьютеров.

Всегда считалось, что разрешающая способность оптических приборов ограничена длиной используемой световой волны. Именно поэтому в оптический микроскоп нельзя увидеть объекты мельче определенного размера. Однако, похоже, что Вахиду Сандогдару из швейцарского Федерального технологического института удалось найти пути обхода этого правила.

В обычном оптическом микроскопе для освещения изучаемого предмета используется внешний источник света. Предельный размер предмета равен половине длины волны применяемого света. Для преодоления этого условия Сандогдар использует отдельные атомы в качестве осветителей. Этот новый подход вместе с использованием специальных методов, существенно снижающих дифракцию, позволяет видеть в оптический микроскоп объекты размером в одну сотую миллионной доли метра.

Многие научные дисциплины имеют дело с исключительно скоротечными процессами. Их изучение требует визуализации, что возможно только с помощью высокоскоростных цифровых фотокамер. Такие камеры способны снимать до 600 миллионов кадров в секунду. Они применяются в баллистике, исследованиях разрушения материалов, продвижения фронтов огня или ударных волн и т.д.

Однако эти камеры довольно громоздки и непригодны для повседневного пользования. А ведь высокоскоростные фотокамеры нужны не только для научных исследований. Они способны решить многие проблемы простых фотолюбителей. Для них специалисты из Стенфордского университета изобрели сверхбыструю и умную цифровую камеру, практически исключающую возможность делать плохие снимки. В отличие от обычных цифровых камер, использующих светочувствительные датчики и несколько процессоров для обработки изображения, новая камера использует только один чип и обработку на уровне пикселей. По мнению ее авторов - профессоров Аббаса Эль-Гамаля и Брайана Уанделла - их детище может стать началом целой серии новых фото и видеокамер с беспрецедентными возможностями, дающими совершенное освещение изображения, ликвидирующими проблему расплывчатости, улучшающими стабильность и увеличивающими компрессию видеокартинки.

Камера снимает со скоростью десять тысяч кадров в секунду. За это время она обрабатывает миллион пикселей. Размер камеры не превышает четверти почтовой открытки. Профессор Эль-Гамаль говорит, что им "удалось сосредоточить восприятие, считывание, оцифровку, запоминание и обработку изображения на одном чипе. Теперь такую камеру можно разместить на пуговицах, часах, мобильных телефонах, пальмбуках и т.д.".

Если большинство современных цифровых камер работают на чипах с зарядовой связью, то чип новой камеры построен на комплементарных металлооксидных полупроводниках. Это позволяет полностью сохранять информацию о каждом пикселе при аналогово-цифровом преобразовании изображения. Первые подобные камеры были применены на межпланетной станции Mars Polar Lander. С тех пор было создано три поколения камер. Последняя позволяет, например, лучше фиксировать переходы от сильноосвещенных предметов к слабоосвещенным, что повышает качество снимков.

По всей вероятности, развитие экстремальной оптики приведет к созданию целой серии новых приборов для разных областей науки.

перейти к началу страницы