De ontdekking zet de traditionele opvatting van schaduwen op zijn kop en toont aan dat licht niet altijd onbelemmerd door ander licht heen gaat.
Kan licht een schaduw werpen? Het klinkt misschien als een filosofisch raadsel, maar niets is minder waar. In een nieuwe studie gingen onderzoekers heel serieus met deze vraag aan de slag. En ze ontdekten dat een laserstraal onder bepaalde omstandigheden kan fungeren als een ondoorzichtige barrière en inderdaad een schaduw kan creëren.
Onmogelijk… of niet?
“Het idee dat laserlicht een schaduw zou kunnen werpen werd vroeger als onmogelijk gezien”, vertelt onderzoeksleider Raphael Abrahao, verbonden aan het Brookhaven National Laboratory. “Dat komt omdat licht normaal gesproken door ander licht heen gaat zonder enige interactie. Onze demonstratie van dit onverwachte optische effect daagt ons uit om ons begrip van schaduwen opnieuw te overdenken.”
Lunchgesprek
Het begon allemaal tijdens een lunchgesprek, toen iemand opmerkte dat sommige 3D-visualisaties de schaduw van een laserstraal tonen. Dit gebeurt omdat ze de laser behandelen als een cilinder, zonder rekening te houden met de echte fysica van een laserstraal. Sommige wetenschappers vroegen zich vervolgens hardop af of dit experiment in een laboratorium mogelijk zou zijn. “Wat begon als een luchtige discussie tijdens de lunch, leidde tot een gesprek over de fysica van lasers en de niet-lineaire optische reacties van materialen”, zegt Abrahao. “Hieruit ontstond het idee om een experiment te doen en de schaduw van een laserstraal te demonstreren.”
Het experiment
Om dit te testen, richtten de onderzoekers een krachtige groene laser door een kubus van standaard robijnkristal en verlichtten deze van de zijkant met een blauwe laser. Wanneer de groene laser het robijn binnendringt, verandert het lokaal de eigenschappen van het materiaal voor de blauwe golflengte. De groene laser gedraagt zich als een object, terwijl de blauwe laser als verlichting werkt.
Schaduw
Het resultaat is verbluffend: de interactie tussen de twee lichtbronnen veroorzaakte een schaduw op een scherm, die zichtbaar was als een donker gebied waar de groene laser het blauwe licht blokkeerde. Het voldeed aan alle kenmerken van een schaduw, omdat het met het blote oog te zien was, de contouren van het oppervlak waarop het viel volgde en de positie en vorm van de laserstraal, die als object fungeerde, weerkaatste.
Hoe dan?
Het schaduw-effect van de laser komt door niet-lineaire optische absorptie in het robijnkristal, zo leggen de onderzoekers uit. Dit gebeurt omdat de groene laser de absorptie van het blauwe licht verhoogt, waardoor een gebied met lagere lichtintensiteit ontstaat. Het resultaat is een donkerder gebied dat verschijnt als een schaduw van de groene laserstraal.
Zonnige dag
De onderzoekers hebben in hun experiment ook gemeten hoe het contrast van de schaduw afhangt van de kracht van de laserstraal. Ze ontdekten dat het maximale contrast ongeveer 22 procent was, wat vergelijkbaar is met de schaduw van een boom op een zonnige dag. Daarnaast ontwikkelden ze een theoretisch model, waarmee ze het schaduwcontrast nauwkeurig konden voorspellen.
Kortom…
Al met al hebben de onderzoekers met hun bizarre laserexperiment aangetoond dat laserlicht onder bepaalde omstandigheden dus inderdaad een schaduw kan werpen. “Deze ontdekking verdiept ons begrip van hoe licht en materie met elkaar interageren”, concludeert Abrahao. “Het biedt nieuwe mogelijkheden voor het gebruik van licht op manieren die we eerder niet overwogen.”
Bekijk in deze video hoe de schaduw van een laser over een scherm beweegt. Video: R. Een. Abraham, H. B. N. Morin, J. T.R. Pagé, A. Safari, R. W. Boyd, J. S. Lundeen
Toepassingen
De ontdekking daagt de traditionele kijk op schaduwen uit en opent de deur naar innovatieve toepassingen. “Het kan bijvoorbeeld nuttig zijn voor verschillende technologieën, zoals optische schakelaars, apparaten die de aanwezigheid van ander licht regelen of systemen die nauwkeurige controle over lichttransmissie vereisen, zoals krachtige lasers”, somt Abrahao op.
Volgens de onderzoekers laat het effect zien dat de intensiteit van een doorgelaten laserstraal technologisch gezien kan worden gecontroleerd door een andere laser toe te passen. Ze zijn van plan om verder onderzoek te doen naar andere materialen en golflengtes van lasers die vergelijkbare effecten kunnen veroorzaken.
