Come cambia la frequenza di un'onda luminosa? I cristalli fotonici ti permetteranno di cambiare la frequenza dell'onda luminosa. Luce come onde elettromagnetiche
In moderno riviste scientificheè raro leggere di "scoperte sorprendenti" e "fenomeni fisici incredibili", ma è in tali termini che vengono descritti i risultati degli esperimenti sulle onde luminose condotti presso il Massachusetts Institute of Technology.
La conclusione, infatti, è questa: uno dei pionieri nel campo dei cristalli fotonici, John Joannopoulos, ha scoperto proprietà molto strane esibite da tali cristalli quando sono esposti a un'onda d'urto.
Grazie a queste proprietà, con un raggio di luce passato attraverso questi cristalli, puoi fare qualsiasi cosa, ad esempio cambiare la frequenza dell'onda luminosa (cioè il colore). Il grado di controllabilità del processo si avvicina al 100%, che, in effetti, è ciò che sorprende di più gli scienziati.
Allora, cosa sono i cristalli fotonici?
Questa non è una traduzione di grande successo, ma già abbastanza comune, del termine Cristalli Fotonici. Il termine è stato introdotto alla fine degli anni '80 per riferirsi, per così dire, all'analogo ottico dei semiconduttori.
Professor John Ioannopoulos.
Si tratta di cristalli artificiali costituiti da un dielettrico traslucido, in cui vengono creati "buchi" d'aria in modo ordinato, in modo che un raggio di luce che passa attraverso un tale cristallo entri in mezzi con un alto coefficiente di riflessione, quindi con uno basso.
A causa di ciò, un fotone in un cristallo si trova approssimativamente nelle stesse condizioni di un elettrone in un semiconduttore e, di conseguenza, si formano bande fotoniche "consentite" e "proibite" "(Photonic Band Gap)", in modo che i blocchi di cristallo luce con una lunghezza d'onda corrispondente alla zona del fotone proibito, mentre la luce con altre lunghezze d'onda si propagherà senza ostacoli.
Il primo cristallo fotonico è stato creato all'inizio degli anni '90 dal dipendente dei Bell Labs Eli Yablonovitch, ora all'Università della California. Dopo aver appreso degli esperimenti di Ioannopoulos, ha definito "scioccante" il grado di controllo sulle onde luminose raggiunto.
Attraverso simulazioni al computer, il team di Ioannopoulos ha scoperto che quando un'onda d'urto viene applicata a un cristallo, esso Proprietà fisiche cambiare drasticamente. Ad esempio, un cristallo che trasmette luce rossa e riflette la luce verde diventa improvvisamente trasparente alla luce verde e impenetrabile alla parte rossa dello spettro.
Un piccolo trucco con le onde d'urto ha permesso di "fermare" completamente la luce all'interno del cristallo: l'onda luminosa ha iniziato a "battere" tra la parte "compressa" e "non compressa" del cristallo - si è ottenuto una sorta di effetto stanza degli specchi .
Schema dei processi che si verificano in un cristallo fotonico quando un'onda d'urto lo attraversa.
Mentre l'onda d'urto viaggia attraverso il cristallo, l'onda luminosa subisce uno spostamento Doppler ogni volta che colpisce l'impulso d'urto.
Se l'onda d'urto si muove nella direzione opposta all'onda luminosa, la frequenza della luce aumenta ad ogni collisione.
Se l'onda d'urto viaggia nella stessa direzione della luce, la sua frequenza diminuisce.
Dopo 10.000 riflessioni che si verificano in circa 0,1 nanosecondi, la frequenza dell'impulso luminoso cambia in modo molto significativo, in modo che la luce rossa possa diventare blu. La frequenza può anche andare oltre la parte visibile dello spettro, nella regione dell'infrarosso o dell'ultravioletto.
Modificando la struttura del cristallo, puoi ottenere il controllo completo su quali frequenze entrano nel cristallo e quali escono.
Ma Ioannopoulos e i suoi colleghi inizieranno solo le prove pratiche, perché, come già accennato, i loro risultati si basano su simulazioni al computer.
Un fermo immagine da una sequenza video di una simulazione al computer condotta da Ioannopoulos e dai suoi colleghi.
Sono attualmente in corso trattative con il Lawrence Livermore National Laboratory su esperimenti "reali": prima i cristalli verranno sparati con proiettili e poi, probabilmente, con impulsi sonori, che sono meno distruttivi per i cristalli stessi.
11.3. ottica d'onda
11.3.1. Portata e principali caratteristiche delle onde luminose
L'ottica d'onda utilizza il concetto di onde luminose, la cui interazione tra loro e il mezzo in cui si propagano, porta ai fenomeni di interferenza, diffrazione e dispersione.
Le onde luminose sono onde elettromagnetiche con una lunghezza d'onda specifica e includono:
- radiazioni ultraviolette(le lunghezze d'onda vanno da 1 ⋅ 10 −9 a 4 ⋅ 10 −7 m);
- luce visibile (le lunghezze d'onda vanno da 4 ⋅ 10 −7 a 8 ⋅ 10 −7 m);
- radiazione infrarossa(le lunghezze d'onda vanno da 8 ⋅ 10 −7 a 5 ⋅ 10 −4 m).
La luce visibile occupa un intervallo molto ristretto radiazioni elettromagnetiche(4 ⋅ 10 −7 - 8 ⋅ 10 −7 m).
La luce bianca è una combinazione di onde luminose di diverse lunghezze d'onda (frequenze) e, in determinate condizioni, può essere scomposta in uno spettro in 7 componenti con le seguenti lunghezze d'onda:
- luce viola - 390–435 nm;
- luce blu - 435–460 nm;
- luce blu - 460–495 nm;
- luce verde - 495–570 nm;
- luce gialla - 570–590 nm;
- luce arancione - 590–630 nm;
- luce rossa - 630–770 nm.
La lunghezza d'onda della luce è data da
dove v è la velocità di propagazione di un'onda luminosa in un dato mezzo; ν è la frequenza dell'onda luminosa.
Velocità di propagazione le onde luminose nel vuoto coincidono con la velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche; è determinato da costanti fisiche fondamentali (costanti elettriche e magnetiche) ed è esso stesso una grandezza fondamentale ( velocità della luce nel vuoto):
c = 1 ε 0 μ 0 ≈ 3,0 ⋅ 10 8 m/s,
dove ε 0 è la costante elettrica, ε 0 = 8,85 ⋅ 10 −12 F/m; µ 0 - costante magnetica, µ 0 = 4π ⋅ 10 −7 H/m.
La velocità della luce nel vuoto è la più alta velocità possibile in natura.
Quando si passa dal vuoto a un mezzo con un indice di rifrazione costante (n = const), le caratteristiche di un'onda luminosa (frequenza, lunghezza d'onda e velocità di propagazione) possono cambiare il loro valore:
- la frequenza dell'onda luminosa, di regola, non cambia:
ν = ν 0 = cost,
dove ν è la frequenza dell'onda luminosa nel mezzo; ν 0 - la frequenza dell'onda luminosa nel vuoto (aria);
- la velocità di propagazione di un'onda luminosa diminuisce di n volte:
dove v è la velocità della luce nel mezzo; c è la velocità della luce nel vuoto (aria), c ≈ 3,0 ⋅ 10 8 m/s; n - indicatore rifrazione media, n = εμ ; ε è la costante dielettrica del mezzo; µ - permeabilità magnetica del mezzo;
- la lunghezza d'onda della luce si riduce di n volte:
λ = λ 0 n ,
dove λ è la lunghezza d'onda nel mezzo; λ 0 - lunghezza d'onda nel vuoto (aria).
Esempio 20. Su un certo segmento del percorso nel vuoto, si adattano 30 lunghezze d'onda di luce verde. Trova quante lunghezze d'onda della luce verde si adattano allo stesso segmento in un mezzo trasparente con un indice di rifrazione di 2,0.
Soluzione. La lunghezza dell'onda luminosa nel mezzo diminuisce; di conseguenza, un numero maggiore di lunghezze d'onda si adatterà in un mezzo su un certo segmento rispetto al vuoto.
La lunghezza del segmento specificato è il prodotto di:
- per vuoto -
S = N 1 λ 0 ,
dove N 1 è il numero di lunghezze d'onda che si adattano alla lunghezza di un dato segmento nel vuoto, N 1 = 30; λ 0 - lunghezza d'onda della luce verde nel vuoto;
- per l'ambiente -
S = N 2 λ,
dove N 2 - il numero di lunghezze d'onda che si adattano alla lunghezza di un dato segmento nel mezzo; λ è la lunghezza d'onda della luce verde nel mezzo.
L'uguaglianza dei membri di sinistra delle equazioni ci permette di scrivere l'uguaglianza
N 1 λ 0 = N 2 λ.
Esprimiamo il valore desiderato da qui:
N 2 \u003d N 1 λ 0 λ.
La lunghezza d'onda della luce nel mezzo diminuisce ed è il rapporto
λ = λ 0 n ,
dove n è l'indice di rifrazione del mezzo, n = 2,0.
Sostituendo il rapporto nella formula di N 2 si ottiene
N 2 \u003d N 1 n.
Calcoliamo:
N 2 \u003d 30 ⋅ 2,0 \u003d 60.
Sul segmento indicato, 60 lunghezze d'onda si adattano al mezzo. Si noti che il risultato non dipende dalla lunghezza d'onda.
Alla fine del XVII secolo sorsero due ipotesi scientifiche sulla natura della luce: corpuscolare e onda.
Secondo la teoria corpuscolare, la luce è un flusso di minuscole particelle di luce (corpuscoli) che volano a grande velocità. Newton credeva che il movimento dei corpuscoli luminosi obbedisse alle leggi della meccanica. Pertanto, il riflesso della luce era inteso in modo simile al riflesso di una palla elastica da un piano. La rifrazione della luce è stata spiegata dal cambiamento nella velocità delle particelle durante il passaggio da un mezzo all'altro.
La teoria delle onde considerava la luce come un processo ondulatorio simile alle onde meccaniche.
Secondo le idee moderne, la luce ha una duplice natura, cioè è caratterizzato contemporaneamente da proprietà sia corpuscolari che ondulatorie. In fenomeni come l'interferenza e la diffrazione vengono in primo piano le proprietà ondulatorie della luce, e nel fenomeno dell'effetto fotoelettrico quelle corpuscolari.
Luce come onde elettromagnetiche
In ottica, la luce è intesa come onde elettromagnetiche di una gamma piuttosto ristretta. Spesso la luce è intesa non solo come luce visibile, ma anche come ampie aree dello spettro adiacenti ad essa. Storicamente, è apparso il termine "luce invisibile": luce ultravioletta, luce infrarossa, onde radio. Le lunghezze d'onda della luce visibile vanno da 380 a 760 nanometri.
Una delle caratteristiche della luce è la sua colore, che è determinata dalla frequenza dell'onda luminosa. La luce bianca è una miscela di onde di diverse frequenze. Può essere scomposto in onde colorate, ognuna delle quali è caratterizzata da una certa frequenza. Tali onde sono chiamate monocromatico.
velocità della luce
Secondo le ultime misurazioni, la velocità della luce nel vuoto
Le misurazioni della velocità della luce in varie sostanze trasparenti hanno dimostrato che è sempre inferiore a quella del vuoto. Ad esempio, in acqua la velocità della luce diminuisce di 4/3 volte.
Elettrodinamica e ottica. Modifica delle grandezze fisiche nei processi
L'incarico è per livello di base le difficoltà. Per la corretta esecuzione riceverai 2 punti.
La soluzione richiede circa 3 -5 minuti.
Per completare l'attività 17 in fisica, devi sapere:
- elettrodinamica (cambiamento delle grandezze fisiche nei processi)