Новости науки | ||||
25.04.02 Новые эффекты сингулярной оптики | ||||
Новая, рождающаяся буквально на наших глазах область оптических исследований -- так называемая сингулярная оптика -- уже
преподнесла целый ряд красивых и необычных явлений,
происходящих в световой волне вблизи оптически сингулярных
точек. Одно из этих явлений -- сильное искажение спектра
световой волны в окрестности фазовой сингулярности --
было предсказано всего лишь несколько
месяцев назад и уже получило экспериментальное подтверждение.
Сингулярная оптика -- термин, возникший всего лишь несколько лет
назад -- охватывает совокупность направлений,
интересующихся фазовыми сингулярностями (т.е. разрывами,
точками ветвления фазы) в световой волне.
Такие сингулярности могут возникать в тех точках,
где интенсивность световой волны обращается в нуль,
а значит, нет и требования на однозначность фазы волны.
Кроме чисто фундаментального интереса (распределение
поля в световой волне может быть очень нетривиальным
в определенных геометриях!), есть подозрение, что
такие "дислокационные дефекты" волнового фронта
могут захватывать и удерживать
атомы и молекулы (т.к. мы имеем здесь оптическую потенциальную яму).
Для знакомства с темой, см. подробную популярную
статью Фотонный сканирующий микроскоп.
Интересно, что до сих пор подавляющее большинство работ
относилось только к фазовым сингулярностям в монохроматической волне. Конечное спектральное распределение
исследуемой волны считалось, по-видимому, чем-то, мешающим
аккуратному изучению явления. Однако в работе [1]
исследователи все же решили остановиться на полихроматической волне и в результате предсказали
красивое явление дифракционного искажения спектра.
Суть явления достаточно проста.
Пусть у нас есть полностью когерентный световой пучок,
проходящий через достаточно большую,
и для простоты, круглую диафрагму.
Рассмотрим сначала случай строго монохроматичного пучка.
Тогда в режиме дифракции Фраунгофера мы получим
в фокальной плоскости стандартную картину колец Эйри.
При этом те точки, в которых происходит зануление интенсивности,
являются кандидатами на точки фазовых сингулярностей.
Теперь предположим, что свет не строго монохроматичен, а имеет
небольшой спектральный разброс (например, в виде гауссиана)
вокруг центральной длины волны. Тогда окажется, что разные спектральные компоненты будут давать соответствующие
темные кольца Эйри в разных пространственных точках.
Таким образом, сканируя область вблизи фазовой сингулярности,
отвечающей центральной длине волны, мы будем наблюдать
сильные искажения спектрального распределения света.
На Рис.1 показаны теоретические расчеты спектрального распределения
в некоторых пространственных точках.
Падающий свет имеет гауссово распределение с пиком, отмеченным
вертикальной штриховой линией.
Видно, что в зависимости от точки, снятый спектр может
оказаться как смещенным в красную или голубую область,
так и просто расщепленным на две части.
Такие интересные "игры" со спектральным распределением,
естественно, не могли не заинтересовать экспериментаторов.
Так, в недавней работе [2] экспериментальная группа из
Университета Центральной Флориды в Орландо сообщила
о прямом опытном подтверждении этого явления.
На Рис.2 показаны результаты измерения спектрального распределения
световой волны в фокальной плоскости (отвечающей
центральной длине волны) в окрестности второго кольца Эйри.
В этих экспериментах второе кольцо Эйри имело радиус 76.2 мкм;
и, как видно на рисунке, именно в этой области эксперимент
дает четкие двугорбый спектральный профиль.
При удалении от этого кольца в пределах той же плоскости
заметны также и другие, правда менее впечатляющие, эффекты:
посинение и покраснение спектра.
Интересно, что для того, чтобы произвести эти, достаточно тонкие измерения, экспериментаторам потребовалось разработать
новую методику исследования. Интерферометр, построенный
авторами работы [2], работает с немонохроматическим пучком света,
то есть, с маленькой продольной длиной когерентности,
и при этом дает как интенсивность, так и фазу световой волны.
Высокое пространственное разрешение достигается за счет того,
что в качестве зеркала в измеряющем рукаве интерферометра
использовалась перемещаемая металлическая сфера диаметром
0.75 мм, что позволяло достичь точности в поперечной координате
порядка микрона.
Авторы надеются, что как сам эффект, обнаруженный в эксперименте,
так и разработанная ими методика, станут стимулом для
дальнейшего развития сингулярной оптики.
Кроме того, авторы высказывают предположение, что
аналогичные явления могут иметь место не только в световой,
но и в других волнах.
Ссылки: | ||||
|