Un curioso experimento muestra que la luz puede proyectar su propia sombra
Con la ayuda de un cubo de rubí y dos rayos láser, un grupo de físicos han conseguido que un rayo de luz proyectara una sombra cuando era iluminado por el otro.
Por Enrique Coperías
Para demostrar la sombra de un rayo láser, los investigadores dirigieron un láser verde de alta potencia a través de un cubo de cristal de rubí estándar y lo iluminaron con un láser azul desde un lateral. Crédito: Optica
¿Puede la propia luz proyectar una sombra? Puede parecer un acertijo filosófico, pero unos investigadores han descubierto que, en determinadas condiciones, un rayo láser puede actuar como un objeto opaco y proyectar una sombra. El descubrimiento desafía la concepción tradicional de las sombras, y abre nuevas posibilidades para tecnologías que podrían utilizar un rayo láser para controlar otro rayo láser.
Desde la física, la sombra es una región de oscuridad que se forma cuando un objeto opaco bloquea el paso de la luz. Esta, que viaja en línea recta, se encuentra con el objeto, y este impide que los fotones lleguen a la superficie donde se forma la sombra.
«Antes se pensaba que era imposible que la luz láser proyectara una sombra, ya que la luz suele pasar a través de otra luz sin interactuar —dice el jefe del equipo de investigación, Raphael A. Abrahao, del Laboratorio Nacional Brookhaven (Estados Unidos), en una nota de prensa del Optica Publishing Group. Y añade—: Nuestra demostración de un efecto óptico muy contraintuitivo nos invita a reconsiderar nuestra noción de lo que es una sombra».
Nueva forma de ver las sombras
Los investigadores describen en ña revista de investigación Optica cómo utilizaron un cristal de rubí y longitudes de onda láser específicas para demostrar que un rayo láser podía bloquear la luz y crear una sombra visible debido a un proceso óptico no lineal. Este efecto se produce cuando la luz interactúa con un material de forma dependiente de la intensidad, y puede influir en otro campo óptico.
«Nuestra comprensión de las sombras ha evolucionado paralelamente a la de la luz y la óptica —afirma Abrahao—. Este nuevo hallazgo podría resultar útil en diversas aplicaciones, como la conmutación óptica, los dispositivos en los que la luz controla la presencia de otra luz o las tecnologías que requieren un control preciso de la transmisión de la luz, como los láseres de alta potencia».
Este nuevo trabajo forma parte de una exploración más amplia sobre cómo interactúa un haz de luz con otro en condiciones especiales y procesos ópticos no lineales. La idea surgió en una conversación durante un almuerzo entre los miembros del equipo, cuando alguien señaló que algunos esquemas experimentales realizados con software de visualización en 3D representaban la sombra de un rayo láser, porque lo trataban como un cilindro sin tener en cuenta la física de un rayo láser. Entonces, algunos científicos se preguntaron lo siguiente: ¿podría hacerse esto en un laboratorio?
Los investigadores han demostrado que un rayo láser a veces puede actuar como un objeto sólido y proyectar una sombra que es visible a simple vista. En la imagen, la sombra aparece como la línea horizontal que atraviesa el fondo azul. Crédito: Abrahao et al.
«Lo que empezó como una discusión divertida durante el almuerzo derivó en una conversación sobre la física de los láseres y la respuesta óptica no lineal de los materiales —recuerda Abrahao. Y añade—: A partir de ahí, decidimos realizar un experimento para demostrar la sombra de un rayo láser».
Para ello, los investigadores dirigieron un láser verde de alta potencia a través de un cubo de cristal de rubí estándar y lo iluminaron con un láser azul desde un lateral. Cuando el láser verde entra en el rubí, cambia localmente la respuesta del material a la longitud de onda azul. El láser verde actúa como un objeto ordinario, mientras que el láser azul actúa como iluminación.
La interacción entre las dos fuentes de luz creó una sombra en una pantalla que era visible como una zona oscura donde el láser verde bloqueaba la luz azul. Cumplía todos los criterios de una sombra, porque era visible a simple vista, seguía los contornos de la superficie sobre la que caía y seguía la posición y la forma del rayo láser, que actuaba como un objeto.
La sombra del rayo láser
El efecto de sombra láser es consecuencia de la absorción óptica no lineal en el rubí. Dicho efecto se produce porque el láser verde aumenta la absorción óptica del rayo láser azul de iluminación, lo que crea una región coincidente en la luz de iluminación con menor intensidad óptica. El resultado es una zona más oscura que aparece como sombra del rayo láser verde.
«Este descubrimiento amplía nuestra comprensión sobre las interacciones luz-materia y abre nuevas posibilidades para utilizar la luz de formas que no habíamos considerado antes», afirma Abrahao.
Sobra proyectada por un rayo láser.
Los investigadores midieron experimentalmente la dependencia del contraste de la sombra respecto a la potencia del rayo láser, y hallaron un contraste máximo de aproximadamente el 22%, similar al contraste de la sombra de un árbol en un día soleado. También desarrollaron un modelo teórico, y demostraron que podía predecir con exactitud el contraste de la sombra.
Abrahao y sus colegas afirman que, desde un punto de vista tecnológico, el efecto que demostraron demuestra que la intensidad de un rayo láser transmitido puede controlarse aplicando otro láser. A continuación, tienen previsto investigar otros materiales y otras longitudes de onda láser que puedan producir efectos similares. ▪️
Información facilitada por el Optica Publishing Group
Fuente: R. A. Abrahao, H. P. N. Morin, J. T. R. Pagé, A. Safari, R. W. Boyd, J. S. Lundeen. The shadow of a laser beam. Optica (2024). DOI: 10.1364/OPTICA.534596.
