Когда свет проходит через зашумленный канал, такой как атмосфера, он искажается, но существуют сложные формы света, которые выходят без искажений, так что выходной образец такой же, как и входной. 
Авторы и права: Передовая фотоника (2023 г.). DOI: 10.1117/1.AP.5.1.016006

Захватывающая перспектива в современной оптике состоит в том, чтобы использовать световые узоры — то, как свет выглядит со многими степенями свободы, — часто называемые «структурированным светом». Каждый отдельный шаблон может формировать алфавит кодирования для оптической связи или может использоваться в производстве для повышения производительности и производительности. К сожалению, световые узоры искажаются, когда они проходят через шумные каналы, например, оптическое волокно с аберрацией, мутную живую ткань и, возможно, очень серьезный пример, атмосферную турбулентность в воздухе.

Во всех этих примерах искаженный паттерн может ухудшиться до такой степени, что выходной паттерн не будет похож на входной, что сводит на нет преимущество. Как сообщается в Advanced Photonics, исследователи в Южной Африке показали, как можно найти формы света без искажений, которые исходят из шумного канала точно так же, как они были введены. На примере атмосферной турбулентности они показали, что эти особые формы света, называемые собственными модами, можно найти даже для очень сложных каналов, проявляющихся неискаженными, в то время как другие формы структурированного света были бы неузнаваемы.

Прохождение света через атмосферу имеет решающее значение во многих приложениях, таких как оптика в свободном пространстве, зондирование и подача энергии, но найти, как лучше всего это сделать, оказалось непросто. Традиционно метод проб и ошибок использовался для нахождения наиболее устойчивых форм света в каком-то конкретном шумовом канале, но на сегодняшний день было показано, что все формы знакомого структурированного света искажаются по мере того, как среда становится все более шумной. Причина в том, что свет может «видеть» искажение.

Но возможно ли создать свет, который не видит искажения, проходя сквозь него, как будто его и нет? Чтобы добиться этого, исследователи рассматривали зашумленный канал как математический оператор и задавали простой вопрос: какие формы света будут инвариантны для этого оператора? Другими словами, световые волны, находящиеся в естественных модах канала, ведут себя так, как будто они не видят искажения: истинные собственные моды канала .

В качестве примера рассматривался тяжелый случай искажений из-за атмосферной турбулентности. Ответ на проблему выявил ранее неизвестные формы света (т. е. те, которые не принадлежат ни к одному хорошо известному структурированному семейству света, но, тем не менее, полностью устойчивы к среде). Этот факт был подтвержден экспериментально и теоретически для условий слабой и сильной турбулентности.

По словам автора-корреспондента Эндрю Форбса, члена SPIE и заслуженного профессора Университета Витватерсранда в Йоханнесбурге, «Что интересно в этой работе, так это то, что она открывает новый подход к изучению сложного света в сложных системах — например, при переносе классического и квантовый свет через оптическое волокно, подводные каналы, живые ткани и другие сильно аберрированные системы».

Он добавляет: «Из-за природы собственных мод не имеет значения, насколько длинна эта среда или насколько сильно возмущение, так что она должна хорошо работать даже в режимах, где традиционные корректирующие процедуры, такие как адаптивная оптика, не работают».

Сохранение целостности структурированного света в сложных средах проложит путь к будущей работе по визуализации и передаче данных через зашумленные каналы, что особенно важно, когда структурированные формы света представляют собой хрупкие квантовые состояния.