Это лишь некоторые из элементов «рождественской елки» возможных применений диаграммы направленности, которые Мигель Алонсо, профессор оптики, и Кевин Паркер, профессор технических наук Уильяма Ф. Мэя, описали в недавней статье в Optics Express. .Эта закономерность является результатом того, что Паркер назвал «аналитически красивым математическим решением», изобретенным Алонсо. Он заставляет световую или звуковую волну коллапсировать внутрь, образуя — в течение всего наносекунды или меньше — невероятно тонкий, интенсивный луч, прежде чем волна снова расширится наружу.«Вся энергия совмещается во времени и пространстве, так что она сливается — БАМ! — как крещендо», — говорит Паркер, взрывно хлопая в ладоши для акцента. «Это можно сделать с помощью оптической световой волны, с помощью ультразвука, радара, сонара — это будет работать для всех».Большинство традиционных диаграмм направленности сохраняют постоянную форму, пока работает источник.
Однако они не такие интенсивные, как луч, созданный Паркером и Алонсо, который исследователи называют «пучком игольчатых импульсов». «Он очень локализован, без выступов или боковых лепестков, которые отводили бы энергию от главного луча», — говорит Алонсо.Боковые лепестки, исходящие от луча, как ореолы, которые иногда можно увидеть вокруг автомобильных фар, особенно проблематичны при ультразвуковом исследовании. «Боковые лепестки — враг», — говорит Алонсо. "Вы хотите направить всю свою ультразвуковую волну на одну вещь, которую хотите отобразить, тогда все, что отражается назад, расскажет вам об одной вещи. Если вы также получаете диффузию волн в другом месте, это размывает изображение. . "Поскольку он невероятно узкий, новый луч «позволяет разрешать объекты с изысканным разрешением, когда вам нужно разделять крошечные объекты, расположенные близко друг к другу», — говорит Паркер, добавляя, что этот луч может быть применен не только для ультразвука, но и для микроскопии. , радар и сонар.По словам Алонсо, промышленные применения могут включать в себя любую форму лазерной обработки материалов, которая включает освещение как можно большего количества света на заданной линии.
Идея игольчатого импульсного луча возникла у Паркера, эксперта в области ультразвука, который в поисках вдохновения часто просматривает математические функции столетней или более давней давности в «древних текстах».«Я мог видеть общую форму решения, но не мог обойти уравнение, — говорит он. — Поэтому я пошел к человеку (Алонсо), которого я считаю ведущим мировым экспертом по оптической теории и математике».
Они придумали различные выражения, которые, по словам Алонсо, были «математически правильными», но соответствовали лучам, требующим бесконечного количества энергии. Решение — «особый математический трюк», который можно применить к лучу с конечной энергией, — пришел к нему во время плавания с женой в озере Онтарио.«Многие из моих идей не воплощаются в жизнь за моим столом», — говорит Алонсо. «Это случается, когда я еду на велосипеде, принимаю душ, плаваю или занимаюсь чем-то еще — вдали от всей бумажной работы».
Паркер говорит, что это открытие является продолжением международных поисков, начатых в Университете Рочестера. В 1986 году — вопреки всемирному скептицизму — команда университета, в которую входил Джозеф Эберли, профессор физики Эндрю Карнеги и профессор оптики, представила доказательства неожиданной новой формы света без дифракции. В настоящее время широко используется так называемая балка Бесселя.
«Прошли десятилетия с тех пор, как кто-то разработал новый тип балки», — говорит Паркер. «Затем, как только было объявлено о луче Бесселя, люди подумали, что могут появиться и другие новые лучи. Гонка началась.
«Найти новую диаграмму направленности — все равно что найти новый элемент. Это случается не очень часто».