Verzerrungsfreies strukturiertes Licht

Eine aufregende Perspektive in der modernen Optik ist die Nutzung von Lichtmustern – wie das Licht in seinen vielen Freiheitsgraden aussieht – oft als „strukturiertes Licht“ bezeichnet. Jedes unterschiedliche Muster könnte ein Codierungsalphabet für die optische Kommunikation bilden oder in der Fertigung verwendet werden, um die Leistung und Produktivität zu verbessern. Unglücklicherweise werden Lichtmuster verzerrt, wenn sie durch verrauschte Kanäle gehen, zum Beispiel gestresste optische Fasern, aberrierte Optiken, trübes lebendes Gewebe und vielleicht ein sehr schwerwiegendes Beispiel, atmosphärische Turbulenzen in der Luft.

In all diesen Beispielen kann sich das verzerrte Muster bis zu dem Punkt verschlechtern, dass das Ausgangsmuster nicht mehr wie das Eingangsmuster aussieht, wodurch der Nutzen zunichte gemacht wird. Wie in berichtet Fortgeschrittene Photonikhaben Forscher in Südafrika gezeigt, wie es möglich ist, verzerrungsfreie Lichtformen zu finden, die genauso aus einem verrauschten Kanal kommen, wie sie eingestrahlt wurden. Am Beispiel atmosphärischer Turbulenzen zeigten sie, dass diese besonderen Lichtformen , Eigenmoden genannt, können selbst für sehr komplexe Kanäle gefunden werden, die unverzerrt austreten, während andere Formen von strukturiertem Licht nicht erkennbar wären.

Licht durch die Atmosphäre zu leiten ist für viele Anwendungen von entscheidender Bedeutung, wie z. B. Freiraumoptik, Sensorik und Energieversorgung, aber es hat sich als schwierig erwiesen, dies am besten zu tun. Traditionell wurde ein Trial-and-Error-Ansatz verwendet, um die robustesten Formen von Licht in einem bestimmten verrauschten Kanal zu finden, aber bis heute haben sich alle Formen von vertrautem strukturiertem Licht als verzerrt erwiesen, wenn das Medium zunehmend lauter wird. Der Grund dafür ist, dass Licht die Verzerrung „sehen“ kann.

Aber ist es möglich, Licht zu erzeugen, das die Verzerrung nicht sieht und durchdringt, als ob es nicht da wäre? Um diesen Fortschritt zu erzielen, behandelten die Forscher den verrauschten Kanal als mathematischen Operator und stellten eine einfache Frage: Welche Lichtformen wären für diesen Operator unveränderlich? Mit anderen Worten, Lichtwellen, die sich in den Eigenmoden des Kanals befinden, verhalten sich so, als würden sie die Verzerrung nicht sehen: die wahren Eigenmoden des Kanals.

Als Beispiel wurde der schwere Fall von Verzerrungen durch atmosphärische Turbulenzen in Angriff genommen. Die Lösung des Problems offenbarte zuvor unerkannte Formen von Licht (dh solche, die keiner wohlbekannten strukturierten Lichtfamilie angehören, aber dennoch völlig robust gegenüber dem Medium sind). Diese Tatsache wurde experimentell und theoretisch für schwache und starke Turbulenzbedingungen bestätigt.

Laut dem korrespondierenden Autor Andrew Forbes, SPIE Fellow und Distinguished Professor an der University of the Witwatersrand in Johannesburg, „ist das Spannende an der Arbeit, dass sie einen neuen Ansatz zur Untersuchung von komplexem Licht in komplexen Systemen eröffnet – zum Beispiel beim Transport klassischer und Quantenlicht durch optische Fasern, Unterwasserkanäle, lebendes Gewebe und andere stark aberrierte Systeme.“

Er fügt hinzu: „Aufgrund der Natur der Eigenmoden spielt es keine Rolle, wie lang dieses Medium ist oder wie stark die Störung ist, sodass es auch in Systemen gut funktionieren sollte, in denen traditionelle Korrekturverfahren wie adaptive Optik versagen.“

Die Aufrechterhaltung der Integrität von strukturiertem Licht in komplexen Medien wird den Weg für zukünftige Arbeiten in der Bildgebung und Kommunikation über verrauschte Kanäle ebnen, was besonders relevant ist, wenn die strukturierten Lichtformen fragile Quantenzustände sind.