Vědci objevili skryté korelace ve světle procházejícím neprůhlednými materiály

Světlo, které projde silně rozptylujícím materiálem, jako je biologická tkáň nebo jiné neuspořádané neprůhledné médium, se na první pohled chová zcela chaoticky. Fotony při průchodu takovým prostředím narážejí na nespočet mikroskopických nehomogenit, odrážejí se, lámou se a sledují tisíce různých drah, než se dostanou na druhou stranu. Výsledkem je spektrální vzor, který se jeví jako náhodný – jas a barva procházejícího světla se zdánlivě bez jakéhokoli řádu mění v závislosti na vlnové délce i na místě pozorování.

Tento jev dlouho komplikoval snahy o zobrazování skrz neprůhledné materiály. Lékaři i fyzici se potýkají s tím, že tkáň nebo jiná rozptylující média rozmazávají a znehodnocují informaci, kterou světlo nese. Pokud chceme vidět něco, co se nachází pod povrchem kůže nebo za vrstvou neprůhledné látky, musíme se vypořádat právě s touto zdánlivou náhodností.

Zdánlivý chaos ale ve skutečnosti není náhodný v pravém slova smyslu. Fluktuace procházejícího světla jsou důsledkem interference mnoha koherentních cest, které foton materiálem může urazit, a tato interference je deterministická – řídí se fyzikálními zákony, i když je výsledný vzor extrémně složitý a citlivý na sebemenší změny v uspořádání rozptylujících částic. To znamená, že v těchto zdánlivě chaotických spektrálních vzorech se skrývají korelace, tedy skryté vztahy mezi tím, jak se světlo chová při různých vlnových délkách nebo v různých bodech prostoru.

Objev a popis těchto skrytých korelací otevírá cestu k tomu, aby bylo možné zdánlivý šum využít namísto toho, aby byl pouze považován za překážku. Pokud vědci dokážou pochopit a popsat, jak spolu jednotlivé náhodně vyhlížející vzory souvisejí, mohou z nich získat užitečnou informaci o struktuře materiálu, kterým světlo prošlo, nebo o tom, co se za ním nachází.

Klíčovým nástrojem, který umožňuje tuto komplexní interferenci nejen popsat, ale přímo ovlivnit, je technika zvaná tvarování vlnoploch, v angličtině známá jako wavefront shaping. Princip spočívá v tom, že se pomocí speciálních optických prvků, nejčastěji prostorových modulátorů světla, upraví tvar vlny dopadajícího světla ještě předtím, než vstoupí do rozptylujícího materiálu. Tím lze kompenzovat zkreslení, které materiál způsobí, a dosáhnout toho, že se světlo na výstupu z neuspořádaného prostředí opět sfokusuje do jednoho ostrého bodu, podobně jako kdyby prošlo čočkou.

Tvarování vlnoploch tak umožňuje efektivně zaostřit světlo skrz materiály, které jsou pro oko i běžné optické přístroje neprůhledné. Tato schopnost má zásadní význam zejména pro biomedicínské zobrazování, kde je potřeba dostat se světlem hlouběji do tkáně, než to umožňují konvenční mikroskopické metody. Rozptyl světla v tkáni totiž omezuje hloubku, do které lze klasickými optickými technikami pozorovat buněčné struktury nebo detekovat patologické změny.

Pochopení skrytých korelací ve spektrálních fluktuacích má navíc širší využití než jen samotné zaostřování světla. Umožňuje vědcům charakterizovat vlastnosti neuspořádaných materiálů, sledovat dynamické změny uvnitř rozptylujícího prostředí nebo navrhovat efektivnější algoritmy pro korekci vlnoploch. V oblastech, jako je optická komunikace přes rozptylující prostředí, neinvazivní diagnostika nebo zobrazování skrz kouř a mlhu, může tento přístup přinést praktické výhody.

Výzkum v této oblasti pokračuje na pomezí statistické optiky, fotoniky a aplikované fyziky. Vědci se snaží nejen lépe porozumět teoretickým základům toho, proč a jak korelace v rozptýleném světle vznikají, ale také vyvinout rychlejší a přesnější metody, jak tyto korelace prakticky využít v reálných zařízeních. Cílem je, aby se technologie tvarování vlnoploch dostala z laboratoří blíže k praktickému nasazení, ať už v lékařských přístrojích, nebo v jiných odvětvích, kde neprůhledné materiály dosud představovaly nepřekonatelnou překážku pro přenos a interpretaci optické informace.