Formas sem distorção de luz estruturada

Cada padrão pode formar um alfabeto de codificação para comunicação óptica ou pode ser usado na fabricação para melhorar o desempenho e a produtividade. Infelizmente, os padrões de luz ficam distorcidos quando passam por canais ruidosos, por exemplo, fibra óptica estressada, óptica aberrada, tecido vivo turvo e talvez um exemplo muito grave, turbulência atmosférica no ar.

Em todos esses exemplos, o padrão distorcido pode se deteriorar a ponto de o padrão de saída não se parecer em nada com o de entrada, anulando o benefício. Agora, pesquisadores da Universidade de Witwatersrand (Universidade de Wits) na África do Sul mostraram como é possível encontrar formas de luz sem distorção que saem de um canal ruidoso exatamente da mesma forma que foram colocadas.

Usando a turbulência atmosférica como exemplo, eles mostraram que essas formas especiais de luz, chamadas modos próprios, podem ser encontradas até mesmo em canais muito complexos, emergindo sem distorções, enquanto outras formas de luz estruturada seriam irreconhecíveis. Sua pesquisa foi publicada na revista, Fotônica Avançada — o principal jornal da SPIE, a sociedade internacional de óptica e fotônica.

“A passagem da luz pela atmosfera é crucial em muitas aplicações, como óptica de espaço livre, detecção e entrega de energia, mas encontrar a melhor forma de fazer isso se mostrou um desafio”, diz o professor Andrew Forbes, chefe do Laboratório de Luz Estruturada da Wits University. .

Tradicionalmente, uma abordagem de tentativa e erro tem sido usada para encontrar as formas mais robustas de luz para algum canal ruidoso específico, mas até o momento todas as formas familiares de luz estruturada mostraram ser distorcidas à medida que o meio se torna progressivamente mais ruidoso. A razão é que “vemos” a distorção.

Para estabelecer se é possível criar luz que não “vê” a distorção, passando como se não existisse, os pesquisadores trataram o canal ruidoso como um operador matemático e fizeram uma pergunta simples: “que formas de luz ser invariante para este operador?.” Em outras palavras, quais formas de luz aparecem como o modo natural do canal em que está, para que não veja a distorção. Isso também pode ser chamado de modos próprios verdadeiros do canal.

O exemplo abordado foi o caso severo de distorções devido à turbulência atmosférica. A resposta ao problema revelou formas irreconhecíveis de luz – em outras palavras, luz que não pertence a nenhuma família de luz estruturada conhecida, mas, no entanto, completamente robusta ao meio. Este fato foi confirmado experimental e teoricamente para condições de turbulência fraca e forte.

“O que é empolgante sobre o trabalho é que ele abre uma nova abordagem para estudar a luz complexa em sistemas complexos, por exemplo, no transporte de luz clássica e quântica através de fibra óptica, canais subaquáticos, tecidos vivos e outros sistemas altamente aberrados”, disse Forbes. .

Devido à natureza dos modos próprios, não importa quanto tempo esse meio tem, nem quão forte é a perturbação, de modo que ele deve funcionar bem mesmo em regimes onde os procedimentos corretivos tradicionais, como a óptica adaptativa, falham.

“Manter a integridade da luz estruturada em meios complexos abrirá caminho para futuros trabalhos em imagens e comunicação por meio de canais ruidosos, particularmente relevantes quando as formas estruturadas de luz são estados quânticos frágeis”.