Ізраїльські фізики досліджували світлові промені в мильних плівках. Вони показали, що на цей процес істотний вплив справляє ступінь просторової когерентності світла. При її зникненні, однак, гілка не зникає, що свідчить про складний механізм його формування. Дослідження опубліковано в.
Поширення хвиль можна на якісному рівні зрозуміти за допомогою принципу Гюйгенса - Френеля. В його рамках всі точки хвильового фронту розглядаються в якості когерентних вторинних джерел. Джерела випускають сферичні хвилі, що беруть участь у багаторічній інтерференції, на підставі якої формується наступний хвильовий фронт. За допомогою таких побудов можна пояснити, чому в порожньому просторі або в оптично однорідному середовищі сферичний фронт хвилі буде залишатися таким, а плоский фронт кінцевої довжини - розширюватися і розфокусуватися.
Якщо ж середовище сильно розупорядковане, то випадковим буде і фронт хвилі, що пройшла через нього. Формована такими хвилями випадкова інтерференційна картина називається спеклом. Спекли можна побачити, якщо посвітити лазерним променем на шорстку поверхню або пропустити його через оптично-флуктуючий розчин. Спекл-інтерферометрія знайшла застосування в діагностиці матеріалів, а також у мікроскопії та астрономії.
Існує і проміжний режим поширення хвиль. Він зустрічається в слабо розупорядкованих середовищах, в яких масштаби нерівностей сильно перевищують довжину хвилі. У цьому випадку поширення хвилі нагадує блискавку, дерево або дельту річки, звідси і назву цього явища: розгалужена течія (branched flow). Вперше воно спостерігалося для електронних хвиль у почесному електронному газі, пізніше - для мікрохвиль у резонаторах, а зовсім недавно - для світла в тонких мильних мембранах (хоча перші спроби спостереження оптичного гілкування поза контексту феномена датуються 2003 роком). Примітно, що у всіх випадках хвилі мали когерентний характер, в той час як запропонована для їх опису теорія нехтувала інтерференційними ефектами, залишаючись в рамках променевої оптики.
Щоб закрити цю прогалину, Анатолій Пацюк (Anatoly Patsyk) і його колеги з університету Техніон в Хайфі повторили експеримент з мильною плівкою, вставивши після джерела світла обертальний дифузор, який допомагав фізикам контролювати просторову когерентність світла. Порівнюючи розгалужений перебіг некогерентного світла з когерентним випадком і з плином світла зі спекловою структурою, вони виявили що в першому випадку спостерігається менше гілок і менший розкид за інтенсивностями.
У плівці, яку вивчали автори, оптична неоднорідність виникала через варіацію товщини, через яку змінювався локальний ефективний показник заломлення. Щоб візуалізувати рефракційний ландшафт фізики опромінювали її білим світлом і детектували відбите світло. Окремі ділянки плівки за рахунок інтерференції Фабрі - Перо по своєму відображали різні ділянки спектру. Аналізуючи цей сигнал, дослідники відновлювали локальні товщини і локальні показники заломлення.
Автори заводили в плівку світло, випущене лазером на довжині хвилі 532 нанометри. Вони мали можливість як освітлювати всю ширину плівки, так і заводити випромінювання тільки в окремо обрану крайову точку. До складу плівки входили молекули родаміну, що перевипромінювали світло, яке фотографувала камера.
Сам по собі лазер випускає когерентне світло. Встановлення на шляху променя дифузора надає йому спеклову структуру. Щоб отримати некогерентне або слабкогеретне світло, фізики змусили дифузор обертатися з великою швидкістю. Коли швидкість обертання істотно перевищує кадрову частоту камери або ока, видиме зображення являє собою усереднення за інтенсивністю від картин, що формуються з безлічі спек-структурованих променів, кожен з яких відповідає своїй орієнтації дифузора. Це усереднення повністю еквівалентно некогерентному або слабо когерентному зображенню.
Порівнюючи гілкові світлові потоки для всіх трьох випадків, сфотографованих при однаковому рефракційному ландшафті плівки, автори виявили, що відсутність когерентності істотно змінює картину. У цьому випадку зникає і згладжується безліч тонких рис гілки аж до зникнення деяких гілок. Вчені зробили висновок, що у формуванні розгалуженої течії світла задіяно два механізми, один з яких спільний як для когерентного, так і для некогерентного світла. Зокрема, перший механізм заснований на формування каустик (тобто областей, де концентруються промені) і може бути описаний в рамках геометричної оптики, а другий - специфічно інтерференційний і спостерігається тільки для когерентного випромінювання.
Ґрунтуючись на виміряному рефрактометричному ландшафті плівки, фізики провели симуляцію проходження світла для всіх трьох випадків. Для симуляції некогерентного випадку вони усереднювали зображення на основі тисячі спек-структурованих симуляцій. Автори порівнювали випадки, а також теорію і експеримент, обчислюючи статистичні розподілу інтенсивностей та індекси мерехтіння.
Промені в виконаному експерименті рухалися зі світловими швидкостями, що за мірками кадрової частоти типової цифрової камери практично миттєво. Тим не менш, ми вже розповідали, як зйомка зі швидкістю 10 трильйонів кадрів в секунду дозволяє зняти рух лазерного імпульсу.