![]() | ||||
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: |
||||
|