Рис.1 Схема возникновения продольного электрического поля в фокусе лазерного луча.

В плоской электромагнитной волне, распространяющейся в вакууме, электрическое поле всегда перпендикулярно направлению распространения. Однако строго плоскую волну приготовить невозможно: в реальности даже лазерный луч представляет собой целый набор совместно распространяющихся плоских волн, отличающихся направлением движения. В результате можно создать так называемую радиально поляризованную моду лазерного излучения, которая будет в фокусе иметь область сильного продольного электрического поля. Такие моды с продольным полем могут найти самые разнообразные применения. В частности, в работе [L.Novotny et al, Phys.Rev.Lett. 86, 5251 (2001)] продольное поле предлагается как мощный диагностический инструмент: с его помощью можно в трехмерии анализировать ориентацию дипольных молекул.

Рис. 1 иллюстрирует основную идею того, как приготовить необходимую моду электромагнитной волны. Два когерентных луча, линейно поляризованные в плоскости рисунка (поляризация показана цветными стрелками), деструктивно интерферируют. В результате, компонента, поперечная суммарному направлению распространения, зануляется в области интерференции, и выживает только продольная составляющая. Более аккуратный анализ показывает (см. например [K.S.Youngworth and T.G.Brown, Opt.Express 7, 77 (2000)]), что для полного уничтожения поперечной компоненты в реальных лазерных пучках необходимо использовать не линейную, а радиально-поляризованную моду.

Рис.2 Структура радиально-поляризованного луча; a) распределение поперечной компоненты, поляризация показана стрелками; б) распределение продольной компоненты.

Вспомним, что в линейно-поляризованном луче, как бы симметрично он ни выглядел, всегда имеется выделенное поперечное направление, задаваемое вектором электрического поля. В противоположность этому, радиально-поляризованная мода электромагнитного излучения интересна тем, что она полностью аксиально-симметрична. На Рис.2а цветом показаны теоретические расчеты интенсивности поперечной компоненты электрического поля во фронтальной плоскости, а стрелками — направление вектора поляризации в данной точке. Рис.2б показывает распределение в этой же плоскости интенсивности продольной компоненты электрического поля. Видно, что непосредственно на оси пучка поперечная составляющая строго зануляется (аксиальная симметрия!), и поле становится строго продольным. Нетрудно понять, что величина продольной компоненты зависит от углового распределения в луче: чем оно шире, т.е. чем больше угол между волновыми векторами k₁ и k₂, тем сильнее будет продольное поле на оси пучка.

До недавних пор эти интересные моды излучения анализировались лишь теоретиками. И вот, в недавней работе [L.Novotny et al, Phys.Rev.Lett. 86, 5251 (2001)] продольное поле было впервые наблюдено и изучено экспериментально. На Рис.3 показано, как в этом эксперименте приготавливался такой радиально-поляризованный луч. Фундаментальная пространственная мода лазерного света конвертировалась в две перпендикулярно поляризованных гауссовых (1,0) моды. Накладываясь, они и давали радиально-поляризованный свет.

Для изучения распределения продольной и поперечной составляющих в пространстве, экспериментаторы светили лазерным лучом на тонкую прозрачную пленку, содержащую флуоресцирующие полимерные молекулы. Поскольку молекулы имели вытянутую структуру и обладали определенным дипольным моментом d, интенсивность флуоресценции каждой молекулы была пропорциональна |d*E|². То есть, если мы возьмем пленку с полимерными молекулами, аккуратно выстроенными вдоль оси луча, мы сможем избирательно чувствовать продольную компоненту электрического поля.

Рис.3 Методика получения радиально-поляризованного луча из двух линейно поляризованных (1,0) мод.

Именно таким образом экспериментаторы смогли опытным путем просканировать луч в фокальной плоскости и получить картину распределения продольного поля. Результаты вполне согласовались с теоретическими предсказаниями.

Интересно, что задачу можно в некотором смысле обратить. А именно, теперь с помощью продольного и поперечного поля с известными свойствами можно выяснить пространственную ориентацию дипольных молекул. И в самом деле, в пробном опыте ученые изучили пять дипольных молекул, находящихся в толще пленки и произвольно ориентированных. Освещая их продольным и поперечным светом и изучая картину флуоресценции, ученые смогли четко выяснить направление пространственной ориентации каждой из молекул. Таким образом, они продемонстрировали интересный и сильный метод исследования отдельных дипольных молекул.

Игорь Иванов