Forskerteam demonstrerer fraktalt lys fra lasere

Fraktale mønstre er almindelige i naturen, herunder i en skildpaddeskals geometriske mønstre, strukturen af ​​en snegleskal, bladene af en saftig plante, der gentages for at skabe et indviklet mønster, og frostmønsteret på en bils forrude om vinteren.

Fraktaler har det karakteristiske træk ved en gentagende geometri med struktur i flere skalaer, og findes overalt, fra Romanesco broccoli til bregner, og endda i større skalaer, såsom saltlejligheder, bjerge, kystlinjer og skyer. Formerne på træer og bjerge er også selvlignende, sådan at en gren ligner et lille træ og en klippefremspring som et lille bjerg.

I de sidste to årtier har forskere har forudsagt, at fraktallys kunne skabes med en laser. Med sine meget polerede sfæriske spejle, en laser er næsten det modsatte af naturen, og det kom derfor som en overraskelse, da i 1998, forskere forudsagde fraktale lysstråler udsendt fra en klasse af lasere. Nu, et hold fra Sydafrika og Skotland har demonstreret, at fraktallys kan dannes fra en laser, verificere forudsigelsen om to årtier.

Rapporterer denne måned i Fysisk gennemgang A , teamet giver det første eksperimentelle bevis for fraktalt lys fra simple lasere og tilføjer en ny forudsigelse:at fraktalmønsteret skulle eksistere i 3-D og ikke kun 2-D, som tidligere troet.

Naturen skaber sådanne "mønstre inden for mønstre" ved mange gentagelser af en simpel regel, for eksempel, at producere et snefnug. Computerprogrammer laver også fraktaler ved at gå igennem reglen gentagne gange, berømt at producere det abstrakte Mandelbrot -sæt.

Lyset inde i lasere cykler også frem og tilbage, hopper mellem spejlene på hver pasning, som kan indstilles til at forestille lyset i sig selv på hver rundtur. Dette ligner bare en rekursiv sløjfe, gentage en simpel regel igen og igen. Billeddannelsen betyder, at hver gang lyset vender tilbage til billedplanet, det er en mindre (eller større) version af, hvad det var:et mønster inden for et mønster inden for et mønster.

Fraktaler har applikationer inden for billeddannelse, netværk, antenner og endda medicin. Teamet forventer, at opdagelsen af ​​fraktale former for lys, der kan konstrueres direkte fra en laser, bør åbne nye applikationer og teknologier baseret på disse eksotiske tilstande af struktureret lys.

"Fraktaler er et virkelig fascinerende fænomen, der er forbundet med det, der kaldes kaos, "siger professor Andrew Forbes fra University of the Witwatersrand, der ledede projektet sammen med professor Johannes Courtial ved University of Glasgow. "I den populærvidenskabelige verden, kaos er kendt som 'Sommerfugleeffekten, 'hvor en lille ændring ét sted gør en stor ændring et andet sted - f.eks. en sommerfugl, der slår vingerne i Asien, forårsager en orkan i USA. Dette har vist sig at være sandt. "

Ved forklaringen af ​​opdagelsen af ​​fraktallys, Forbes forklarer, at hans team indså vigtigheden af, hvor man skal lede efter fraktaler i en laser. "Kig på det forkerte sted inde i laseren, og du ser bare en udtværet klat lys. Kig det rigtige sted, hvor billeddannelsen sker, og du ser fraktaler. "

Projektet kombinerede teoretisk ekspertise fra Glasgow -teamet med eksperimentel validering i Sydafrika af Wits og CSIR (Council for Scientific and Insdustrial Research) forskere. Den første version af eksperimentet blev bygget af Dr. Darryl Naidoo (fra CSIR og Wits) og afsluttet af Hend Sroor (Wits) som en del af hendes ph.d.

"Det fantastiske er, at som forudsagt, det eneste krav for at demonstrere effekten er en simpel laser med to polerede sfæriske spejle. Det var der hele tiden, bare svært at se, om du ikke kiggede på det rigtige sted, "siger Courtial.