Вчені вигадали, як можна керувати світлом за допомогою світла

Використання світла та управління ним має велике значення для розвитку технологій, включаючи збір енергії, обчислення, зв'язок та біомедичне зондування. Однак у реальних умовах світлом складно керувати через його комплексну поведінку. Фізик Андреа Алу порівнює поведінку світла в хаотичних системах із початковим ударом у більярді: «У більярді крихітні зміни у способі запуску кулі з києм призводять до того, що кулі розлітаються по столу. Світлові промені діють аналогічним чином хаотичної порожнини. Стає важко моделювати, щоб передбачити, що відбудеться, тому що можна проводити експеримент багато разів з однаковими налаштуваннями, і щоразу отримувати різний результат».

У новому дослідженні, опублікованому в журналі Nature Physics, група фахівців під керівництвом дослідників із CUNY Graduate Center описує нову платформу для управління хаотичною поведінкою світла шляхом налаштування його розсіювання за допомогою самого світла. Проект очолювали співавтори Сюефен Цзян (Xuefeng Jiang), колишній постдокторський дослідник у лабораторії Алу, а нині доцент кафедри фізики Університету Сетон Холл та Шишионг Інь (Shixiong Yin), аспірант у лабораторії Алу.

Традиційні платформи вивчення поведінки світла зазвичай використовують резонансні порожнини круглої чи правильної форми, у яких світло відбивається і розсіюється по більш передбачуваним закономірностям. Наприклад, у круглій порожнині зберігаються тільки передбачувані та певні частоти, і кожна частота, що підтримується, пов'язана з певним просторовим розподілом.

Однієї моди на одній частоті достатньо для розуміння фізики, що діє у круговому резонаторі, але такий підхід не дозволяє розкрити всю складність поведінки світла, що спостерігається у складних платформах, каже Джаїнг.

«У порожнині, яка підтримує хаотичні патерни світла, будь-яка окрема частота, що подається в порожнину, може порушити тисячі світлових патернів, що, як прийнято вважати, зводить нанівець шанси на керування оптичним відгуком, — сказав Джаїнг. — Ми продемонстрували можливість управління цією хаотичною поведінкою».

Для вирішення цього завдання команда розробила велику порожнину у формі стадіону з відкритою верхньою частиною та двома каналами на протилежних сторонах, які спрямовують світло у порожнину. Вхідне світло розсіюється від стінок і відбивається від них, а розташована зверху камера фіксує кількість світла, що виходить зі стадіону, та його просторову структуру.

З боків приладу розташовані регулятори, що дозволяють керувати інтенсивністю світла на двох входах та затримкою між ними. Протилежні канали змушують світлові пучки інтерферувати один з одним у порожнини стадіону, що дозволяє керувати розсіюванням одного пучка іншим за допомогою процесу, відомого як когерентне керування - по суті, використання світла для керування світлом, вважає Алу. Регулюючи відносну інтенсивність та затримку світлових пучків, що входять у два канали, дослідники, що примітно, послідовно змінювали картину випромінювання світла за межами резонатора.

Таке управління стало можливим завдяки рідкісній поведінці світла в резонансних порожнинах, що називається «модами розсіювання без відображення» (МРО), яке було теоретично передбачено раніше, але не спостерігалося в системах з оптичними порожнинами.За словами Інь, продемонстрована в цій роботі можливість маніпулювання МРО дозволяє ефективно збуджувати та контролювати складні оптичні системи, що має значення для зберігання енергії, обчислень та обробки сигналів.

«Ми виявили, що на певних частотах наша система може підтримувати два незалежні МРО, що перекриваються, завдяки чому весь світ потрапляє в порожнину стадіону без відображень назад у порти каналу, що дозволяє керувати ним, — сказав Інь. — Наша демонстрація стосується оптичних сигналів у межах смуги пропускання оптичних волокон, які ми використовуємо у повсякденному житті, тому це відкриття відкриває новий шлях для кращого зберігання, маршрутизації світлових сигналів та управління ними у складних оптичних платформах».

У подальших дослідженнях вчені мають намір використати додаткові регулятори, що дасть більше ступенів свободи для розкриття подальших складнощів у поведінці світла.

Як можна керувати світлом

Висвітлення заміського будинку - невід'ємний елемент інфраструктури, що відповідає за комфорт та безпеку проживання. Розумне світло зустрічає вас вже на порозі будинку - варто відчинити двері, як загоряються світильники.

Інноваційні технології та вдосконалення датчиків підштовхнули розвиток концепції «розумний дім», де «розумне світло» є складовою глобальної системи. IoT (у перекладі «інтернет речей») це глобальна інфраструктура інформаційного суспільства, яка забезпечує передові послуги за рахунок організації зв'язку між фізичними та віртуальними речами на основі існуючих та розвиваються сумісних інформаційних та комунікаційних технологій.

Взаємодія фізичних речей здійснюється за рахунок вбудованих елементів, з відповідним програмним забезпеченням, адже ПЗ відповідає за збір та аналіз даних, взаємодію пристроїв та зв'язок із хмарою. Вибір комунікаційного рішення визначає спосіб відправлення та отримання інформації, зв'язку зі сторонніми пристроями. система розпізнає те, що відбувається навколо, і сповіщає про це користувача через IoT платформу, де отримані дані аналізуються, перетворюються на зручну форму.

IoT концепція передбачає управління пристроєм голосом або через програму на смартфоні, створення сценаріїв автоматизації процесів. Розумне світло враховує присутність людей, час доби, природне освітлення. Світлом можна керувати - вмикати або змінювати яскравість віддалено, імітувати присутність людей у ​​домі.

Дистанційно біля освітлювальних приладів можна налаштувати:

• стан спокою/роботи;
  
• яскравість;
  
• колірну температуру;
  
• колір та інші параметри.

Контролер для розумного будинку з gsm - інтелектуальна система, що координує роботу підключених пристроїв, що приймає логічно обґрунтовані рішення, алгоритми яких закладено у програму. Аналізу піддаються всі дані, отримані з датчиків, після чого лунає команда смарт-пристроям.

Власники приватних будинків активно переходять на розумне освітлення, вибираючи можливості, що з ним відкриваються. Зручність — одна з очевидних переваг автоматизованого керування перед ручним. Висвітлення, наділене штучним інтелектом, скорочує витрати на електроенергію, заощаджує час - Досить дати команду і залишається спостерігати, як будинок поступово наповнюється світлом.

• Потенціал та надійність - система освітлення розрахована на 11 років і більше безперервної роботи;
  
• Безпека - освітлювальні прилади не виділяють ультрафіолет, радіацію, не мають елементів, що містять ртуть;
  
• Стійка робота при високих та низьких температурах, негативному впливі природних явищ, механічному впливі;
  
• Відсутнє коливання світлового потоку;
  
• Стійкість елементів до зношування при активній експлуатації
• Високий рівень світловіддачі (до 150 люменів на 1 Вт електроенергії).