Er is een labiele laser op tv

Het begon als een terloopse opmerking, en eindigt deze week met een publicatie in Nature. Hoe Schotse laser-onderzoekers, met inspiratie uit Leiden, de video-feedback herontdekten....

Wie dacht dat het miljoenen aan apparatuur en medewerkers vereist om een publicatie in een topblad als Nature afgedrukt te krijgen, heeft het mis.

Dr. Johannes Courtial, een van origine Duitse fysicus die sinds jaar en dag aan de universiteit van Glasgow werkt, publiceert deze week in het Britse weekblad over een onderzoek van hem, waarvoor hij niet meer dan zijn eigen videocamera en een televisie heeft gebruikt. 'Hoe slechter de televisie, hoe beter het resultaat eigenlijk', zegt hij zelfs doodserieus.

In de korte brief laten laserdeskundige Courtial en Jonathan Leach en Miles Padgett van de kleine Optica-groep van de Schotse universiteit zien hoe daarmee structuren op het scherm te toveren zijn waarvan de details er net zo uitzien als het grotere geheel. Fractals, noemen wiskundigen zulke structuren, die afmetingen hebben ergens tussen één en twee dimensies in. Lijnen zijn het niet, maar ook geen vlakken.

Daartoe exploreren de Schotten op een speciale manier een truc die vrijwel iedere bezitter van een videocamera in een nieuwsgierige bui wel eens zal hebben uitgeprobeerd: feedback.

Sluit een videocamera rechtstreeks aan op een televisie en film het scherm. In een oogwenk ontstaat een beeld in een beeld in een beeld, enzovoorts. Het resultaat ziet er doorgaans uit als een soort tunnel, die naar gelang de bewegingen van de cameraman nog op en neer kan zwieren ook. Makers van vroege videoclips waren er dol op en op internet zijn nog steeds hele websites aan het fenomeen gewijd.

Dat effect werkt zolang de beeldvergroting van de camera kleiner is dan één, zodat de afgebeelde monitor kleiner is dan het echte apparaat. In de jaren tachtig is enig serieus onderzoek gedaan naar videofeedback met vergrotingen van meer dan één, omdat die in theorie tot fractale patronen zouden moeten leiden. Fractals, een vinding van IBM-onderzoeker Benoît Mandelbrot, waren toen op het hoogtepunt van hun populariteit, zowel bij wetenschappers als bij het publiek.

Dat werd destijds niet veel, zegt Courtial, vanwege een fundamentele technische beperking. 'De gebruikte monitoren waren nog van het ouderwetse lijntype, waarbij het beeldscherm van boven naar onder wordt volgeschreven door een elektronenbundel. Zulke systemen hebben geen bruikbare beeldelementen.' Bij feedback ontstaan daardoor instabiele, bewegende lichtpatronen, waarvan de onderzoekers hooguit konden vermoeden dat er iets fractaals aan was.

Beelden op hedendaagse televisieschermen en monitoren zijn echter opgebouwd uit pixels, apart aangestuurde beeldpunten met zwart ertussen. Dat verandert de zaak, merkte Courtial al proberend in zijn lab. Door met vergrotingen te werken worden pixelgrote details opgeblazen tot ze meer dan een pixel beslaan, zodat automatisch een zichzelf steeds kleiner herhalende structuur ontstaat. 'Dan verschijnen op je scherm opeens precies de zelfgelijkende patronen die je in theorie verwacht', aldus Courtial.

Het lijkt allemaal melig tijdverdrijf van een wat verveelde onderzoeksgroep. Maar dat is het bepaald niet, verzekert Courtial. De Spielerei met de videocamera is onderdeel van het serieuze laserwerk van zijn groep. En daarbij blijkt onderzoek uit Leiden de inspiratiebron, al staat dat nergens in de referenties in Nature.

In Leiden ontdekten prof. dr. Han Woerdman en zijn promovendus dr. Gerwin Karman in 1998 dat bundels uit bepaalde instabiele lasers fractale lichtpatronen vertonen. In een gewone laser wordt een lichtpuls tussen twee vlakke spiegels heen en weer gekaatst om hem te versterken. Woerdman en Karman (tegenwoordig is hij verbonden aan Philips) waren echter geboeid geraakt door lasers met een trilholte met een holle en een bolle spiegel. Daardoor worden patronen in de lichtflits keer op keer uitvergroot en gemengd met de oorspronkelijke flits. Het resultaat is een bundel met een inwendig donker-lichtpatroon dat fractaal is.

Die vondst, samen met theoretici van het Imperial College in Londen, baarde drie jaar geleden behoorlijk opzien, ook in Glasgow. Tijdens de bespreking ervan in Padgetts groep vergeleek Courtial het effect terloops even met de aloude video-feedback.

'En die hebben we erin gehouden', zegt hij. 'We zijn aan instabiele lasers gaan werken en maakten in een artikel in Physical Review Letters vorig jaar nog eens de vergelijking met video-feedback. Dat trok de aandacht en we realiseerden ons dat we eigenlijk aan onze stand verplicht waren dat effect dan ook eens zelf te bestuderen.'

In Leiden neemt hoogleraar quantumoptica Woerdman met gemengde gevoelens kennis van het werk uit Glasgow. Enerzijds, zegt hij, is het aardig om te zien dat vergrotende feedback opnieuw heuse fractals oplevert.

Woerdman: 'Maar anderzijds is het wel een beetje flauw onderzoek en verbazingwekkend dat ze er dan toch Nature mee halen. Terwijl er niet eens aan ons laser-artikel wordt gerefereerd dat nota bene ook in Nature stond. Me dunkt, echte fractale lasers zijn toch een stuk fundamenteler.'

Courtial in Glasgow is echter onverstoorbaar. De speelse video-experimenten, zegt hij, hebben enkele nieuwe inzichten over terugkoppeling en fractaliteit opgeleverd, die zijn groep in het onderzoek van instabiele lasers mooi kan gebruiken. 'Welke, zeg ik niet, dat zou de andere groepen maar op een idee brengen.'

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@volkskrant.nl.