Исследователи из Университета Мичигана разработали необычное устройство на основе лампы накаливания. В отличие от современных светодиодов и традиционных источников света, новинка создает особое излучение с “закрученными” электромагнитными волнами, вращающимися в противоположных направлениях и зеркально отражающими друг друга.
Главный элемент конструкции – вольфрамовая нить с уникальной структурой. В нее внедрили спиральные элементы на микро- и наноуровне, благодаря чему световые волны и приобретают эллиптическую поляризацию.
В природе подобные оптические явления встречаются довольно редко. Одним из немногих существ, способных воспринимать такой свет, является рак-богомол. У него 12 видов фоторецепторов, что в четыре раза превышает возможности человеческого глаза с его тремя типами клеток для восприятия красного, зеленого и синего цветов.
Зрительная система рака-богомола позволяет ему видеть не только весь спектр видимого света, но и часть ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов. Более того, этот маленький охотник способен различать циркулярно поляризованное излучение, что делает его настоящим чемпионом по качеству зрения среди морских обитателей.
Работа новой лампы напрямую зависит от температурного режима – именно он определяет длину волн. Для точного контроля этого параметра установку оснастили специальным дисплеем, в реальном времени отображающим температуру нити накаливания.
Чтобы лучше понять принцип действия устройства, стоит разобраться в природе поляризованного излучения. Представим световую волну как колебания веревки. При обычном освещении веревка колеблется хаотично во всех направлениях сразу. Но в новой лампе свет ведет себя иначе: его волны совершают упорядоченные движения по эллиптической траектории, словно кончик веревки рисует в пространстве овал. Такой характер колебаний отличается как от простого движения веревки вверх-вниз в одной плоскости (линейный случай), так и от равномерного кругового вращения. При эллиптическом движении амплитуда колебаний постоянно меняется, создавая сложный паттерн, похожий на растянутую спираль. Происходит это, например, когда солнце отражается от поверхности воды.
Именно этот эффект используется в поляризационных солнцезащитных очках. Их линзы отфильтровывают свет, отраженный от горизонтальных поверхностей, уменьшая блики. Особенно заметен этот эффект на пляже или за рулем автомобиля.
На самом деле, в животном мире способность различать поляризованное излучение распространена достаточно широко. Пчелы и муравьи используют его как природный компас при навигации, а морские обитатели вроде осьминогов и рыб применяют для поиска добычи или маскировки от хищников.
Разработанная технология открывает новые горизонты в создании систем машинного зрения. “Закрученный” свет позволит роботам получать более полную картину окружающего пространства, точнее определять текстуры поверхностей и распознавать объекты благодаря улучшенной контрастности изображения.
Как поясняет профессор Николас Котов, возглавляющий Центр комплексных частиц и частичных систем NSF, повысится и безопасность автономного транспорта, если изобретение внедрить в массы. Различная структура меха животных и тканей человеческой одежды по-разному взаимодействует со светом, так что в теории системы смогут идентифицировать живые объекты на дороге.
Медицинская визуализация – еще одна потенциальная область применения. С детализированными снимками тканей врачи смогут проводить максимально точную диагностику заболеваний на ранних стадиях.
В материаловедении изобретение откроет новые возможности для изучения структуры веществ. Прокачанная аппаратура даст более подробную информацию о строении материалов на микроскопическом уровне.Также увеличится пропускная способность существующих линий связи без прокладки дополнительных кабелей. Более того, с помощью усовершенствованного контроля поляризации света можно создать новые протоколы передачи данных с повышенным уровнем защиты от перехвата информации.
Несмотря на то, что лампы накаливания считались устаревшей технологией в эпоху светодиодов, они неожиданно получили второе рождение. Впрочем, исследователи отмечают, что до массового производства таких устройств еще предстоит провести дополнительные исследования и решить ряд технических задач.