kaared 

Fotoonilised kristallid võimaldavad teil muuta valguslaine sagedust. Valguslained Kuidas muutub valguslaine sagedus

"Hämmastavatest avastustest" ja "uskumatutest füüsikalistest nähtustest" saab tänapäevastest teadusajakirjadest lugeda harva, kuid just sellistes sõnades kirjeldatakse Massachusettsi Tehnoloogiainstituudis läbi viidud valguslainete katsete tulemusi.

Lõpptulemus on tegelikult järgmine: üks fotooniliste kristallide valdkonna teerajajaid John Joannopoulos avastas sellistel kristallidel lööklaine mõjul väga kummalised omadused.

Tänu nendele omadustele saate neid kristalle läbiva valgusvihuga teha kõike - näiteks muuta valguslaine sagedust (st värvi). Protsessi juhitavuse aste läheneb 100%-le, mis tegelikult üllatabki teadlasi kõige enam.

Niisiis, mis on fotoonilised kristallid?

See ei ole kuigi edukas, kuid juba üsna levinud tõlge terminile Photonic Crystals. Termin võeti kasutusele 1980. aastate lõpus, et tähistada nii-öelda pooljuhtide optilist analoogi.

Professor John Ioannopoulos.

Need on poolläbipaistvast dielektrikust valmistatud tehiskristallid, millesse tekivad korrapäraselt õhu “augud”, nii et sellist kristalli läbiv valgusvihk satub kõrge, seejärel madala peegeldusteguriga keskkonda.

Tänu sellele on kristallis olev footon ligikaudu samades tingimustes kui elektron pooljuhis ja vastavalt moodustuvad "lubatud" ja "keelatud" fotoonribad "(Photonic Band Gap)", nii et kristallid blokeerivad. valgust, mille lainepikkus vastab keelatud footonite tsoonile, samas kui teiste lainepikkustega valgus levib takistamatult.

Esimese fotoonilise kristalli lõi 1990. aastate alguses Bell Labsi töötaja Eli Yablonovitch, kes töötab praegu California ülikoolis. Saanud teada Ioannopoulose katsetest, nimetas ta saavutatud valguslainete kontrolli astet "šokeerivaks".

Arvutisimulatsioonide abil leidis Ioannopoulose meeskond, et kui kristallile rakendatakse lööklaine, füüsikalised omadused drastiliselt muutuda. Näiteks punast valgust läbiv ja rohelist valgust peegeldav kristall muutub äkitselt rohelisele valgusele läbipaistvaks ja spektri punasele osale läbimatuks.

Väike fookus lööklainetega võimaldas kristalli sees valguse täielikult "peatada": valguslaine hakkas "lööma" kristalli "kokkusurutud" ja "kokkusurumata" osa vahel - saadi omamoodi peegliruumi efekt. .


Fotoonkristalli lööklaine läbimisel toimuvate protsesside skeem.

Kui lööklaine liigub läbi kristalli, läbib valguslaine Doppleri nihke iga kord, kui see lööbimpulssi tabab.

Kui lööklaine liigub valguslainele vastupidises suunas, suureneb valguse sagedus iga kokkupõrke korral.

Kui lööklaine liigub valgusega samas suunas, siis selle sagedus langeb.

Pärast 10 000 peegeldust, mis toimub umbes 0,1 nanosekundi jooksul, muutub valgusimpulsi sagedus väga oluliselt, nii et punane tuli võib muutuda siniseks. Sagedus võib ulatuda isegi spektri nähtavast osast kaugemale - infrapuna- või ultraviolettpiirkonda.

Muutes kristalli struktuuri, saate saavutada täieliku kontrolli selle üle, millised sagedused kristalli sisenevad ja millised väljuvad.

Kuid Ioannopoulos ja tema kolleegid alustavad just praktilisi teste – sest nagu juba mainitud, põhinevad nende tulemused arvutisimulatsioonidel.


Kaader Ioannopoulose ja tema kolleegide poolt läbi viidud arvutisimulatsiooni videosarjast.

Praegu käivad läbirääkimised Lawrence Livermore'i riikliku laboriga "päris" katsete üle: esmalt lastakse kristalle kuulidega ja hiljem ilmselt heliimpulssidega, mis kristalle endid vähem hävitavad.

17. sajandi lõpus tekkis valguse olemuse kohta kaks teaduslikku hüpoteesi - korpuskulaarne ja Laine.

Korpuskulaarteooria järgi on valgus pisikeste valgusosakeste (kehakeste) voog, mis lendab suure kiirusega. Newton uskus, et valguskehade liikumine järgib mehaanika seadusi. Seega mõisteti valguse peegeldumist sarnaselt elastse kuuli peegeldusega tasapinnalt. Valguse murdumist seletati osakeste kiiruse muutumisega üleminekul ühest keskkonnast teise.

Laineteooria käsitles valgust mehaaniliste lainetega sarnase laineprotsessina.

Tänapäeva ideede kohaselt on valgusel kahetine olemus, s.t. seda iseloomustavad samaaegselt nii korpuskulaarsed kui ka lainelised omadused. Nähtustes nagu interferents ja difraktsioon tulevad esiplaanile valguse lainelised omadused ning fotoelektrilise efekti nähtuse puhul korpuskulaarsed.

Valgus kui elektromagnetlained

Optikas mõistetakse valguse all üsna kitsa ulatusega elektromagnetlaineid. Sageli ei mõisteta valguse all mitte ainult nähtavat valgust, vaid ka sellega külgnevaid laia spektrialasid. Ajalooliselt ilmus mõiste "nähtamatu valgus" - ultraviolettvalgus, infrapunavalgus, raadiolained. Nähtava valguse lainepikkused on vahemikus 380 kuni 760 nanomeetrit.

Valguse üks omadusi on see Värv, mille määrab valguslaine sagedus. Valge valgus on segu erineva sagedusega lainetest. Seda saab lagundada värvilisteks laineteks, millest igaüht iseloomustab teatud sagedus. Selliseid laineid nimetatakse ühevärviline.

valguse kiirus

Viimaste mõõtmiste järgi valguse kiirus vaakumis

Valguse kiiruse mõõtmised erinevates läbipaistvates ainetes on näidanud, et see on alati väiksem kui vaakumis. Näiteks vees väheneb valguse kiirus 4/3 korda.

Valgus on keeruline nähtus: mõnel juhul käitub see nagu elektromagnetlaine, mõnel juhul nagu eriliste osakeste (footonite) voog. Selles köites kirjeldatakse laineoptikat ehk valguse laineloomul põhinevat nähtuste ulatust. Kolmandas köites käsitletakse valguse korpuskulaarsest olemusest tingitud nähtuste kogumit.

Elektromagnetlaines võnkuvad vektorid E ja H. Nagu kogemus näitab, on valguse füsioloogilised, fotokeemilised, fotoelektrilised ja muud mõjud põhjustatud elektrivektori võnkumisest. Vastavalt sellele räägime edasi valgusvektorist, mis tähendab selle all elektrivälja tugevuse vektorit. Valguslaine magnetvektorit me vaevalt mainime.

Valgusvektori amplituudimoodulit tähistame reeglina tähega A (mõnikord ). Sellest lähtuvalt kirjeldatakse võrrandiga valgusvektori projektsiooni muutust ajas ja ruumis selle võnkumise suunas.

Siin k on lainearv, valguslaine levimissuunas mõõdetud kaugus. Mitteneelavas keskkonnas leviva tasapinnalise laine korral A = const, sfäärilise laine korral A väheneb jne.

Valguslaine kiiruse vaakumis ja faasikiiruse v suhet teatud keskkonnas nimetatakse selle keskkonna absoluutseks murdumisnäitajaks ja tähistatakse tähega . Seega

Võrreldes valemiga (104.10) selgub, et enamiku läbipaistvate ainete puhul ei erine see praktiliselt ühtsusest. Seetõttu võib seda pidada

Valem (110.3) seob aine optilised omadused selle elektriliste omadustega. Esmapilgul võib tunduda, et see valem on vale. Näiteks vee puhul Siiski tuleb meeles pidada, et väärtus saadakse elektrostaatiliste mõõtmiste põhjal. Kiiresti muutuvates elektriväljades on väärtus erinev ja see sõltub välja võnkumiste sagedusest. See seletab valguse hajumist, st murdumisnäitaja (või valguse kiiruse) sõltuvust sagedusest (või lainepikkusest). Vastava sageduse jaoks saadud väärtuse asendamine valemis (110.3) annab õige väärtuse .

Murdumisnäitaja väärtused iseloomustavad keskkonna optilist tihedust. Keskkond, millel on suur, on optiliselt tihedam kui keskmine, millel on väiksem . Sellest lähtuvalt nimetatakse väiksema suurusega keskkonda optiliselt vähem tihedaks kui suure keskkonda.

Nähtava valguse lainepikkused on sees

Need väärtused viitavad valguslainetele vaakumis. Aine puhul on valguslainete lainepikkused erinevad. Sagedusega v võnkumiste korral on lainepikkus vaakumis võrdne . Meediumis, milles valguslaine faasikiirus on oluline lainepikkusel Seega on valguslaine lainepikkus murdumisnäitajaga keskkonnas seotud lainepikkusega vaakumis suhtega

Nähtava valguse lainete sagedused asuvad sees

Laine poolt kantud energiavoo tihedusvektori muutuste sagedus on veelgi suurem (see on võrdne ). Ei silm ega ükski teine ​​valgusenergia vastuvõtja ei suuda jälgida nii sagedasi energiavoo muutusi, mille tulemusena registreerivad nad ajakeskmise voolu. Valguslaine poolt kantud energiavoo tiheduse ajakeskmise väärtuse moodulit nimetatakse valguse intensiivsuseks antud ruumipunktis.

Elektromagnetilise energia voo tiheduse määrab Poyntingi vektor S. Seetõttu

Keskmistamine toimub seadme "töötamise" aja jooksul, mis, nagu märgitud, on palju pikem kui laine võnkeperiood. Intensiivsust mõõdetakse kas energiaühikutes (näiteks W / m2) või valgusühikutes, mida nimetatakse "luumen per". ruutmeeter” (vt § 114).

Valemi (105.12) järgi on vektorite E ja H amplituudide moodulid elektromagnetlaines omavahel seotud seosega

(me paneme ). Sellest järeldub

kus on selle keskkonna murdumisnäitaja, milles laine levib. Seega proportsionaalselt:

Poyntingi vektori keskväärtuse moodul on proportsionaalne, seega võime seda kirjutada

(110.9)

(proportsionaalsuskoefitsient on ). Seetõttu on valguse intensiivsus võrdeline keskkonna murdumisnäitaja ja valguslaine amplituudi ruuduga.

Pange tähele, et kui arvestada valguse levimist homogeenses keskkonnas, võime eeldada, et intensiivsus on võrdeline valguslaine amplituudi ruuduga:

Kui aga valgus läbib meediumite vahelist liidest, viib intensiivsuse avaldis, mis ei võta arvesse tegurit, valgusvoo mittesäilimiseni.

Joone, mida mööda valgusenergia levib, nimetatakse kiirteks. Keskmine Poyntingi vektor (S) on suunatud igasse kiirt puutuvasse punkti. Isotroopses keskkonnas langeb suund (S) kokku lainepinna normaalsuunaga, st lainevektori suunaga k. Järelikult on kiired lainepindadega risti. Anisotroopses keskkonnas ei lange lainepinna normaal üldiselt kokku Poyntingi vektori suunaga, mistõttu kiired ei ole lainepindadega risti.

Kuigi valguslained on põikisuunalised, ei esine neil tavaliselt kiire suhtes asümmeetriat. See on tingitud asjaolust, et loomulikus valguses (st tavaliste allikate kiirgavas valguses) esineb võnkumisi, mis esinevad erinevates suundades, mis on kiirga risti (joon. 111.1). Helendava keha kiirgus koosneb selle aatomite kiirgavatest lainetest. Üksiku aatomi kiirgusprotsess kestab umbes . Selle aja jooksul on aega moodustuda ligikaudu 3 m pikkusel kühmudel ja lohkudel (või, nagu öeldakse, lainetel).

Paljud aatomid "vilguvad" korraga.

Nende poolt erutatud lainerongid, mis asetsevad üksteise peale, moodustavad keha poolt kiiratava valguslaine. Iga rongi võnketasand on juhuslikult orienteeritud. Seetõttu on tekkivas laines erinevas suunas võnkumised esindatud võrdse tõenäosusega.

Loomulikus valguses asendavad erineva suuna vibratsioonid üksteist kiiresti ja juhuslikult. Valgust, mille vibratsiooni suunad on mingil viisil järjestatud, nimetatakse polariseeritud. Kui valgusvektori võnkumised esinevad ainult ühes kiirt läbivas tasapinnas, nimetatakse valgust tasapinnaliseks (või lineaarseks) polariseerituks. Järjestus võib seisneda selles, et vektor E pöörleb ümber kiire, samal ajal pulseerides suurusjärgus. Selle tulemusena kirjeldab vektori E lõpp ellipsi. Sellist valgust nimetatakse elliptiliselt polariseeritud valguseks. Kui vektori E ots kirjeldab ringi, nimetatakse valgust ringpolariseeritud valguseks.

XVII ja XVIII peatükis käsitleme loomulikku valgust. Seetõttu ei paku valgusvektori võnkesuund meile erilist huvi. Polariseeritud valguse saamise meetodeid ja omadusi käsitletakse peatükis. XIX.

Valguslained on elektromagnetlained, mis hõlmavad spektri infrapuna-, nähtavat ja ultraviolettkiirgust. Valguse lainepikkused vaakumis, mis vastavad nähtava spektri põhivärvidele, on toodud allolevas tabelis. Lainepikkus on antud nanomeetrites, .

Tabel

Valguslainetel on samad omadused nagu elektromagnetlained.

1. Valguslained on risti.

2. Vektorid ja võnkuma valguslaines.

Kogemused näitavad, et kõikvõimalikud mõjud (füsioloogilised, fotokeemilised, fotoelektrilised jne) on põhjustatud elektrivektori võnkumisest. Teda kutsutakse valguse vektor . Valguslainete võrrandil on teadlik vorm

Valgusvektori amplituud E m on sageli tähistatud tähega A ja võrrandi (3.30) asemel kasutatakse võrrandit (3.24).

3. Valguse kiirus vaakumis .

Valguslaine kiirus keskkonnas määratakse valemiga (3.29). Aga läbipaistva kandja (klaas, vesi) puhul tavaliselt seega.

Valguslainete jaoks võetakse kasutusele mõiste - absoluutne murdumisnäitaja.

Absoluutne murdumisnäitaja on valguse kiiruse vaakumis ja valguse kiiruse suhe antud keskkonnas

Alates (3.29), võttes arvesse asjaolu, et läbipaistva meedia jaoks saame kirjutada võrdsuse .

Vaakumi jaoks ε = 1 ja n= 1. Iga füüsilise keskkonna jaoks n> 1. Näiteks vee jaoks n= 1,33, klaasi jaoks. Kõrgema murdumisnäitajaga keskkonda peetakse optiliselt tihedamaks. Absoluutsete murdumisnäitajate suhet nimetatakse suhteline murdumisnäitaja:

4. Valguslainete sagedus on väga kõrge. Näiteks lainepikkusega punase valguse jaoks

.

Kui valgus liigub ühest keskkonnast teise, siis valguse sagedus ei muutu, küll aga muutuvad kiirus ja lainepikkus.

Vaakumi jaoks - ; keskkonna jaoks - , siis

.

Seega on valguse lainepikkus keskkonnas võrdne vaakumis valguse lainepikkuse ja murdumisnäitaja suhtega

5. Kuna valguslainete sagedus on väga kõrge , siis vaatleja silm ei erista üksikuid võnkumisi, vaid tajub keskmistatud energiavoogusid. Seega võetakse kasutusele intensiivsuse mõiste.

intensiivsusega on laine poolt kantud keskmise energia suhe ajaintervalli ja laine levimise suunaga risti oleva ala pindalaga:

Kuna laineenergia on võrdeline amplituudi ruuduga (vt valem (3.25)), on intensiivsus võrdeline amplituudi ruudu keskmise väärtusega



Valguse intensiivsuse tunnus, võttes arvesse selle võimet tekitada visuaalseid aistinguid, on valgusvoog - F .

6. Valguse laineline olemus avaldub näiteks sellistes nähtustes nagu interferents ja difraktsioon.

11.3. laineoptika

11.3.1. Valguslainete leviala ja peamised omadused

Laineoptika kasutab valguslainete kontseptsiooni, mille vastastikmõju üksteisega ja keskkonnaga, milles nad levivad, viib interferentsi, difraktsiooni ja dispersiooni nähtusteni.

Valguslained on kindla lainepikkusega elektromagnetlained ja hõlmavad:

  • ultraviolettkiirgust(lainepikkused jäävad vahemikku 1 ⋅ 10 −9 kuni 4 ⋅ 10 −7 m);
  • nähtav valgus (lainepikkused vahemikus 4 ⋅ 10 −7 kuni 8 ⋅ 10 −7 m);
  • infrapunakiirgus(lainepikkused jäävad vahemikku 8 ⋅ 10 −7 kuni 5 ⋅ 10 −4 m).

Nähtav valgus hõivab väga kitsa elektromagnetilise kiirguse vahemiku (4 ⋅ 10 -7 - 8 ⋅ 10 -7 m).

Valge valgus on kombinatsioon erineva lainepikkusega (sagedusega) valguslainetest ja võib teatud tingimustel laguneda spektriks 7 komponendiks järgmiste lainepikkustega:

  • violetne valgus - 390–435 nm;
  • sinine tuli - 435–460 nm;
  • sinine tuli - 460–495 nm;
  • roheline tuli - 495–570 nm;
  • kollane tuli - 570–590 nm;
  • oranž valgus - 590–630 nm;
  • punane tuli - 630–770 nm.

Valguse lainepikkus on antud

kus v on valguslaine levimiskiirus antud keskkonnas; ν on valguslaine sagedus.

Levimise kiirus valguslained vaakumis langevad kokku elektromagnetlainete levimiskiirusega; selle määravad füüsikalised põhikonstandid (elektrilised ja magnetilised konstandid) ja see on ise põhisuurus ( valguse kiirus vaakumis):

c = 1 ε 0 μ 0 ≈ 3,0 ⋅ 10 8 m/s,

kus ε 0 on elektriline konstant, ε 0 = 8,85 ⋅ 10 −12 F/m; µ 0 - magnetkonstant, µ 0 = 4π ⋅ 10 -7 H/m.

Valguse kiirus vaakumis on suurim võimalik kiirus looduses.

Vaakumilt konstantse murdumisnäitaja (n = const) keskkonnale liikumisel võivad valguslaine omadused (sagedus, lainepikkus ja levimiskiirus) muuta nende väärtust:

  • valguslaine sagedus reeglina ei muutu:

ν = ν 0 = konst,

kus ν on valguslaine sagedus keskkonnas; ν 0 - valguslaine sagedus vaakumis (õhus);

  • valguslaine levimise kiirus väheneb n korda:

kus v on valguse kiirus keskkonnas; c on valguse kiirus vaakumis (õhus), c ≈ 3,0 ⋅ 10 8 m/s; n on keskkonna murdumisnäitaja, n = ε μ ; ε on keskkonna dielektriline konstant; µ - kandja magnetiline läbilaskvus;

  • valguse lainepikkust vähendatakse n korda:

λ = λ 0 n ,

kus λ on keskkonna lainepikkus; λ 0 - lainepikkus vaakumis (õhk).

Näide 20. Teatud teelõigule vaakumis sobib 30 lainepikkust rohelist valgust. Leia, mitu lainepikkust rohelist valgust mahub samasse segmenti läbipaistvas keskkonnas, mille murdumisnäitaja on 2,0.

Otsus . Valguslaine pikkus keskkonnas väheneb; järelikult mahub teatud segmendi ulatuses keskkonda suurem arv lainepikkusi kui vaakumis.

Määratud segmendi pikkus on korrutis:

  • vaakumi jaoks -

S = N 1 λ 0,

kus N 1 on lainepikkuste arv, mis sobivad antud segmendi pikkusega vaakumis, N 1 = 30; λ 0 - rohelise valguse lainepikkus vaakumis;

  • keskkonna jaoks -

S = N2 λ,

kus N 2 - lainepikkuste arv, mis sobib antud segmendi pikkusega keskkonnas; λ on rohelise valguse lainepikkus keskkonnas.

Võrrandite vasakpoolsete külgede võrdsus võimaldab meil kirjutada võrdsuse

N 1 λ 0 = N 2 λ.

Väljendame soovitud väärtust siit:

N 2 \u003d N 1 λ 0 λ.

Valguse lainepikkus keskkonnas väheneb ja on suhe

λ = λ 0 n ,

kus n on keskkonna murdumisnäitaja, n = 2,0.

Suhte asendamine valemiga N 2 annab

N 2 \u003d N 1 n.

Arvutame:

N 2 \u003d 30 ⋅ 2,0 \u003d 60.

Näidatud segmendis mahub keskkonda 60 lainepikkust. Pange tähele, et tulemus ei sõltu lainepikkusest.