研究表明，激光束可以投射出阴影，颠覆了以往“光不能阻挡光”的观念。这一现象是通过红宝石晶体和特殊激光设置证明的，在先进的光控和光开关装置中具有潜在用途。

光可以投下影子吗？这听起来像是一个哲学谜题，但研究人员发现，在特定条件下，激光束可以表现得像固体物体一样投射出影子。这一突破挑战了关于影子形成方式的传统观点，为包括一束激光控制另一束激光的系统在内的创新技术打开了大门。

挑战传统观念

“此前人们认为激光投下阴影是不可能的，因为光通常会穿过其他光而不发生相互作用，”研究团队负责人拉斐尔·A·阿布拉奥（Raphael A. Abrahao）解释道，他来自布鲁克海文国家实验室，之前曾任教于渥太华大学。“我们展示了一种与直觉非常相悖的光学效应，这促使我们重新思考对阴影的定义。”

该研究成果已发表于Optica Publishing Group的期刊《Optica》上，详细阐述了研究团队如何利用红宝石晶体和特定激光波长来制造阴影效果。该现象源于一种非线性光学过程，即光以强度相关的方式与物质发生相互作用，从而使其能够对另一个光场产生影响并产生可见阴影。

“我们对阴影的理解与对光和光学的理解是同步发展的，”阿布拉奥表示。“这一新发现有望在各种应用中得到有效利用，例如光开关（一种光控制另一种光存在的设备），或需要精确控制光传输的技术，如大功率激光器。”

激光阴影构想的起源

这项新研究属于一项更大规模探索的一部分，旨在研究在特殊条件和非线性光学过程中，光束如何与另一光束相互作用。这一想法始于一次午餐对话，当时有人指出，用3D可视化软件制作的一些实验示意图描绘了激光束的阴影，因为它们将激光束视为圆柱体，而没有考虑激光束的物理特性。一些科学家想知道：这能在实验室中实现吗？

亚伯拉罕说道：“起初我们在午餐时开展了一段有趣的讨论，后来便谈到了激光物理和材料的非线性光学响应。从那里回来后，我们决定进行一项实验来验证激光束的阴影。”

为了实现这一点，研究人员让一束大功率绿色激光穿过一个由标准红宝石晶体制作的立方体，同时从侧面用一束蓝色激光进行照射。当绿色激光进入红宝石时，它会局部改变物质对蓝色波长的反应。在这里，绿色激光的作用就像一个普通物体，而蓝色激光则起到照明的作用。

用激光制造阴影的科学

当两个光源相互作用时，屏幕上会出现一道阴影，该阴影为一黑暗区域，是绿色激光阻挡了蓝光而产生的。它满足了阴影的所有标准，因为肉眼可见，且遵循其投射表面的轮廓，并随着作为物体的激光束的位置和形状的变化而变化。

激光阴影效应是红宝石中光学非线性吸收的结果。产生此效应的原因是绿激光增强了蓝光照明激光束的光学吸收，从而在照明光中形成了一个光学强度较低的匹配区域。结果就形成了一个较暗的区域，该区域呈现为绿色激光束的阴影。

探索光操控的新领域

阿布拉奥表示：“这一发现扩展了我们对光与物质相互作用的理解，并为利用光开辟了前所未有的新途径。”

研究人员通过试验测量了阴影对比度对激光束功率的依赖性，发现最大对比度约为22%，这与晴天时树影的对比度相似。他们还建立了一个理论模型，并证明该模型可以准确预测阴影对比度。

研究人员表示，从技术层面来看，他们所展示的效果表明，通过应用另一束激光可以控制传输激光束的强度。接下来，他们计划研究能够产生类似效果的其他材料和其他激光波长。

参考文献：《激光束的阴影》，作者：亨利·P·N·莫林、乔丹·T·R·帕热、拉斐尔·A·阿布拉奥、阿克巴尔·萨法里、杰夫·S·伦德恩和罗伯特·W·博伊德，发表于2024年11月19日，《Optica》期刊。DOI：doi:10.1364/OPTICA.534596