光本身能投射陰影嗎？這聽起來像是一個哲學謎語，但研究人員發(fā)現(xiàn)，在某些條件下，激光束可以像不透明物體一樣投射出影子。這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了人們對陰影的傳統(tǒng)理解，為利用一束激光控制另一束激光的技術提供了新的可能性。

研究小組負責人、來自布魯克海文國家實驗室的Raphael A. Abrahao說：“激光投射陰影以前被認為是不可能的，因為光線通常會穿過其他光線而不會發(fā)生相互作用。我們展示了一種非常反直覺的光學效應，這促使我們重新考慮影子的概念”。

在《Optica》雜志上，研究人員描述了他們?nèi)绾卫�用紅寶石晶體和特定波長的激光，證明激光束可以阻擋光線，并由于非線性光學過程而產(chǎn)生可見的陰影。這種效應發(fā)生在光與材料的相互作用與強度有關的情況下，并能影響另一個光學場。

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圖1.激光束陰影的攝影圖像

Abrahao說：“我們對陰影的理解是與我們對光和光學的理解同步發(fā)展的。這項新發(fā)現(xiàn)可能會在各種應用中被證明是有用的，例如光學開關、光控制另一種光存在的設備，或者需要精確控制光傳輸?shù)募夹g，如大功率激光器。”

這項新研究是對一束光如何在特殊條件下與另一束光相互作用以及非線性光學過程的更廣泛探索的一部分。

這個想法源于一次午餐談話，當時有人指出，一些用三維可視化軟件制作的實驗示意圖描繪了激光束的陰影，因為它們將激光束視為一個圓柱體，而沒有考慮到激光束的物理特性。一些科學家不禁問道： 這能在實驗室里實現(xiàn)嗎？

Abrahao說：“起初只是午餐時的一次有趣討論，后來卻引發(fā)了一場關于激光物理學和材料非線性光學響應的對話。由此，我們決定進行一項實驗來演示激光束的陰影�！�

為此，研究人員用高功率綠色激光穿過標準紅寶石晶體制成的立方體，并從側(cè)面用藍色激光照射。當綠色激光進入紅寶石時，會局部改變材料對藍色波長的響應。綠色激光的作用就像一個普通物體，而藍色激光的作用就像照明。

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圖 2. 用于創(chuàng)建和觀察激光陰影的方案

兩個光源之間的相互作用在屏幕上產(chǎn)生了一個陰影，在綠色激光阻擋藍光的地方可以看到一個暗區(qū)。它符合陰影的所有標準，因為它肉眼可見，與所落表面的輪廓一致，并與激光束的位置和形狀一致，而激光束就像一個物體。

激光陰影效應是紅寶石中光學非線性吸收的結果。產(chǎn)生這種效果的原因是，綠色激光增加了藍色照明激光束的光學吸收，在照明光中形成了一個光學強度較低的匹配區(qū)域。其結果是出現(xiàn)綠色激光束陰影的較暗區(qū)域。

陰影測量

Abrahao 說：“這一發(fā)現(xiàn)拓展了我們對光-物質(zhì)相互作用的理解，并為我們以以前從未考慮過的方式利用光開辟了新的可能性。”

研究人員通過實驗測量了影子的對比度與激光束功率的關系，發(fā)現(xiàn)最大對比度約為 22%，類似于晴天樹影的對比度。他們還建立了一個理論模型，并證明該模型可以準確預測陰影對比度。

研究人員說，從技術角度看，他們展示的效果表明，可以通過使用另一種激光來控制透射激光束的強度。下一步，他們計劃研究能產(chǎn)生類似效果的其他材料和其他激光波長。

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論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1364/OPTICA.534596