מה אני חוקר – 2.6 – לדמות אטמוספירה טורבולנטית במעבדה

 בפוסט הקודם סיפרתי איך התמונות שבאיור לקוחות ממש מתוך מדידות שביצעתי במעבדה. אבל על הענן כתוב "turbulent atmosphere"! אז זה אמנם יכול להיות נחמד לעשות ניסוי באוויר הפתוח ולעבור דרך קילומטר של אטמוספירה, אבל מסתבר שיש גם אלטרנטיבה שמאפשרת לדמות אטמוספירה (טורבולנטית) בתוך המעבדה.

למה האור מתפזר במעבר דרך האטמוספירה? אז מסתבר שזרמי אוויר טורבולנטיים אטמוספירה גורמים לפלוקטואציות בטמפרטורה, שגורמים בתורם להשתנות של מקדם השבירה במרחב (כי מקדם השבירה של אוויר תלוי בטמפרטורה). ממילא אור שעובר דרך האטמוספירה יתפזר – בדומה למעבר דרך חומר מורכב. המדע מאוד התקשה עם המידול המתמטי של הפלוקטואציות הללו, עד שבא קולמוגורוב, ומשיקולים בסיסיים (למעשה: משיקולי יחידות!) בנה מודל שמתאר את ההתפלגות של התדרים המרחביים של הפלוקטואציות הללו. למעשה, הוא תיאר את הpower spectrum density (או בקיצור: PSD) של הפלוקטואציות. PSD של פונקציה f שמתארת את ההשתנות של מקדם השבירה במרחב הוא הערך מוחלט בריבוע של טרנספורם הפורייה (המרחבי) של f: PSD(f)=|FT(f)|^2.

מסתבר שמתוך הPSD הזה, אפשר לבנות אחורה מסכת פאזה דו ממדית אותה נשים על הSLM. מה שיפה זה שתכונות סטטיסטיות של פיזור של האור דרכה יהיו דומים לאלו של אור שמתפזר דרך האטמוספירה, ולכן נוכל לבצע ניסוי באטמוספירה בתוך המעבדה! התהליך המדויק הוא לא מאוד מורכב: קודם נוציא שורש לPSD כדי לקבל "יחידות רגילות של פורייה", לאחר מכן נכפיל במטריצה מרוכבת אקראית כדי שנוכל לקבל ריאליזציות שונות, ולבסוף ניקח פורייה הפוך, כאשר כעת היחידות הן של מרחב. החלק הממשי של השדה שנקבל הוא הפאזה שנשים על הSLM.

הסיבה שכל זה שימושי זה עבור אפליקציות של תקשורת בfreespace: אם אנחנו רוצים לקודד מידע באור, ולשלוח אותו מתחנה לתחנה דרך האוויר הפתוח – נצטרך להשתמש בטכניקות של wavefront shaping כדי שהמידע יגיע בשלמותו ולא יתפזר מהאטמוספירה. בניסוי שלנו השתמשנו בשני SLMים: האחד דימה אטמוספירה טורבולנטית, ובשני השתמשנו כדי לעשות אופטימיזציה שגורמת לכך שהאור בצד השני יצא יפה ומפוקס.

בזאת נסיים את תת הסדרה על SLM-ים. נציין שניתן באמצעות SLM לקבל גם שליטה מוחלטת על האמפליטודה והפאזה של השדה, אבל במחיר של איבודים משמעותיים, ואנחנו לא ניכנס לזה כרגע. בפוסטים הבאים נכין כמה הקדמות על אופטיקה קוונטית, ובסוף בסוף אגיע לספר ממש על הניסוי שהתפרסם בתור המאמר הראשון שלי ב2021 :)