Исследователи из Университета Эксетера разработали революционный метод, позволяющий световым лучам стабильно проходить через динамически меняющиеся среды. Это открытие, описанное в статье "Threading light through dynamic complex media" и опубликованное в журнале Nature Photonics (2025), может изменить будущее оптических коммуникаций и медицинской визуализации.
Профессор Дэвид Филлипс и профессор Саймон Хорсли, возглавившие исследование, столкнулись с фундаментальной проблемой оптики: когда свет проходит через среду с движущимися объектами, его путь постоянно меняется. Это явление можно наблюдать в повседневной жизни — например, когда звезды мерцают из-за постоянных изменений в атмосфере Земли, искажающих проходящий через нее свет.
«Представьте, что вы пытаетесь передать важное сообщение через комнату, заполненную движущимися людьми. Ваше сообщение может искажаться каждый раз, когда кто-то перемещается на его пути,» — объясняет профессор Филлипс. Подобным образом, информация, передаваемая световыми лучами, может искажаться при прохождении через динамические среды, что создает серьезные препятствия для оптической передачи данных и визуализации.
Ключевое открытие ученых заключается в том, что даже в хаотически движущихся средах существуют участки с разной скоростью движения. Некоторые области меняются быстро, в то время как другие остаются относительно стабильными. Исследователи разработали методику, которая автоматически определяет самые медленно движущиеся участки и направляет свет преимущественно через эти более стабильные пути.
Для достижения этой цели команда использовала подходы, вдохновленные обучением искусственных нейронных сетей. Система быстро перебирала множество возможных форм лазерного луча, выбирая те, которые приводили к наименьшему уровню временных флуктуаций. В результате получались световые лучи, которые огибали наиболее быстро движущиеся части среды и концентрировались в статичных или медленно движущихся областях.
«Мы фактически научили свет находить самые спокойные пути через бурю движения,» — отмечает профессор Хорсли. «Это похоже на то, как опытный моряк выбирает маршрут через штормовое море, избегая самых высоких волн.»
Потенциальные применения этой технологии впечатляют. В биомедицинской визуализации она может значительно повысить разрешение изображений, позволяя видеть мельчайшие детали через движущиеся ткани. В сфере оптических коммуникаций это открытие может привести к более быстрой и надежной передаче данных. Кроме того, технология обещает существенные улучшения для гибких микро-эндоскопов, используемых в малоинвазивной хирургии.
Исследование проводилось под руководством группы структурированного света профессора Филлипса в Университете Эксетера (Великобритания) в сотрудничестве с доктором Филиппом дель Угне из Университета Ренна (Франция). Международное сотрудничество позволило объединить экспертизу в области оптики и машинного обучения для решения этой сложной проблемы.
Открытие, зарегистрированное под DOI: 10.1038/s41566-025-01642-z, представляет собой значительный прорыв в понимании взаимодействия света с динамическими средами и открывает новые горизонты для оптических технологий будущего.
Изображение носит иллюстративный характер
Профессор Дэвид Филлипс и профессор Саймон Хорсли, возглавившие исследование, столкнулись с фундаментальной проблемой оптики: когда свет проходит через среду с движущимися объектами, его путь постоянно меняется. Это явление можно наблюдать в повседневной жизни — например, когда звезды мерцают из-за постоянных изменений в атмосфере Земли, искажающих проходящий через нее свет.
«Представьте, что вы пытаетесь передать важное сообщение через комнату, заполненную движущимися людьми. Ваше сообщение может искажаться каждый раз, когда кто-то перемещается на его пути,» — объясняет профессор Филлипс. Подобным образом, информация, передаваемая световыми лучами, может искажаться при прохождении через динамические среды, что создает серьезные препятствия для оптической передачи данных и визуализации.
Ключевое открытие ученых заключается в том, что даже в хаотически движущихся средах существуют участки с разной скоростью движения. Некоторые области меняются быстро, в то время как другие остаются относительно стабильными. Исследователи разработали методику, которая автоматически определяет самые медленно движущиеся участки и направляет свет преимущественно через эти более стабильные пути.
Для достижения этой цели команда использовала подходы, вдохновленные обучением искусственных нейронных сетей. Система быстро перебирала множество возможных форм лазерного луча, выбирая те, которые приводили к наименьшему уровню временных флуктуаций. В результате получались световые лучи, которые огибали наиболее быстро движущиеся части среды и концентрировались в статичных или медленно движущихся областях.
«Мы фактически научили свет находить самые спокойные пути через бурю движения,» — отмечает профессор Хорсли. «Это похоже на то, как опытный моряк выбирает маршрут через штормовое море, избегая самых высоких волн.»
Потенциальные применения этой технологии впечатляют. В биомедицинской визуализации она может значительно повысить разрешение изображений, позволяя видеть мельчайшие детали через движущиеся ткани. В сфере оптических коммуникаций это открытие может привести к более быстрой и надежной передаче данных. Кроме того, технология обещает существенные улучшения для гибких микро-эндоскопов, используемых в малоинвазивной хирургии.
Исследование проводилось под руководством группы структурированного света профессора Филлипса в Университете Эксетера (Великобритания) в сотрудничестве с доктором Филиппом дель Угне из Университета Ренна (Франция). Международное сотрудничество позволило объединить экспертизу в области оптики и машинного обучения для решения этой сложной проблемы.
Открытие, зарегистрированное под DOI: 10.1038/s41566-025-01642-z, представляет собой значительный прорыв в понимании взаимодействия света с динамическими средами и открывает новые горизонты для оптических технологий будущего.
