Kā mainās gaismas viļņa frekvence? Fotoniskie kristāli ļaus mainīt gaismas viļņa frekvenci. Gaisma kā elektromagnētiskie viļņi
Mūsdienu valodā zinātniskie žurnāli reti kurš var lasīt par "apbrīnojamiem atklājumiem" un "neticamām fiziskām parādībām", taču tieši tādos vārdos ir aprakstīti Masačūsetsas Tehnoloģiju institūtā veikto eksperimentu rezultāti ar gaismas viļņiem.
Faktiski būtība ir šāda: viens no pionieriem fotonisko kristālu jomā Džons Džoannopuls atklāja ļoti dīvainas īpašības, kas piemīt šādiem kristāliem, kad tie ir pakļauti trieciena vilnim.
Pateicoties šīm īpašībām, ar gaismas staru, kas iziet cauri šiem kristāliem, jūs varat darīt jebko - piemēram, mainīt gaismas viļņa frekvenci (tas ir, krāsu). Procesa vadāmības pakāpe tuvojas 100%, kas patiesībā zinātniekus pārsteidz visvairāk.
Tātad, kas ir fotoniskie kristāli?
Šis ir ne pārāk veiksmīgs, bet jau diezgan izplatīts termina Photonic Crystals tulkojums. Šis termins tika ieviests 80. gadu beigās, lai apzīmētu, tā sakot, pusvadītāju optisko analogu.
Profesors Džons Joannopuls.
Tie ir mākslīgi kristāli, kas izgatavoti no caurspīdīga dielektriķa, kuros sakārtoti tiek izveidoti gaisa “caurumi”, lai gaismas stars, kas iet caur šādu kristālu, nonāk vidēs ar augstu atstarošanas koeficientu, pēc tam ar zemu.
Pateicoties tam, fotons kristālā atrodas aptuveni tādos pašos apstākļos kā elektrons pusvadītājā, un attiecīgi veidojas "atļautās" un "aizliegtās" fotoniskās joslas "(Photonic Band Gap)", tā ka kristāla bloki. gaisma ar viļņa garumu, kas atbilst aizliegtajai fotonu zonai, savukārt gaisma ar citiem viļņu garumiem izplatīsies netraucēti.
Pirmo fotonisko kristālu deviņdesmito gadu sākumā izveidoja Bell Labs darbinieks Eli Yablonovitch, kurš tagad strādā Kalifornijas Universitātē. Uzzinot par Ioannopoulos eksperimentiem, viņš sasniegto gaismas viļņu kontroles pakāpi nosauca par "šokējošu".
Izmantojot datorsimulācijas, Ioannopoulos komanda atklāja, ka tad, kad kristālam tiek pielietots triecienvilnis, tas fizikālās īpašības krasi mainīties. Piemēram, kristāls, kas pārraida sarkano gaismu un atstaro zaļo gaismu, pēkšņi kļūst caurspīdīgs zaļajai gaismai un necaurlaidīgs spektra sarkanajai daļai.
Neliels triks ar triecienviļņiem ļāva pilnībā “apturēt” gaismu kristāla iekšpusē: gaismas vilnis sāka “sist” starp kristāla “saspiesto” un “nesaspiesto” daļu - tika iegūts sava veida spoguļtelpas efekts. .
Shēma par procesiem, kas notiek fotoniskā kristālā, kad caur to iet triecienvilnis.
Kad triecienvilnis virzās cauri kristālam, gaismas vilnis iziet Doplera nobīdi katru reizi, kad tas sasniedz trieciena impulsu.
Ja triecienvilnis virzās pretējā virzienā pret gaismas vilni, gaismas frekvence kļūst augstāka ar katru sadursmi.
Ja triecienvilnis virzās tajā pašā virzienā kā gaisma, tā frekvence samazinās.
Pēc 10 000 atspīdumiem, kas notiek aptuveni 0,1 nanosekundē, gaismas impulsa frekvence ļoti būtiski mainās, tādējādi sarkanā gaisma var kļūt zila. Frekvence var pat pārsniegt redzamo spektra daļu - infrasarkanajā vai ultravioletajā reģionā.
Mainot kristāla struktūru, jūs varat sasniegt pilnīgu kontroli pār to, kuras frekvences nonāk kristālā un kuras iziet.
Bet Ioannopoulos un viņa kolēģi tikai gatavojas sākt praktiskus testus - jo, kā jau minēts, viņu rezultāti ir balstīti uz datorsimulācijām.
Kadrs no Joannopula un viņa kolēģu veiktās datorsimulācijas video secības.
Šobrīd notiek sarunas ar Lorensa Livermora Nacionālo laboratoriju par "īstiem" eksperimentiem: vispirms kristāli tiks šauts ar lodēm, bet vēlāk, iespējams, ar skaņas impulsiem, kas mazāk iznīcina pašus kristālus.
11.3. viļņu optika
11.3.1. Gaismas viļņu diapazons un galvenie raksturlielumi
Viļņu optikā tiek izmantots gaismas viļņu jēdziens, kuru mijiedarbība savā starpā un vidē, kurā tie izplatās, noved pie traucējumu, difrakcijas un dispersijas parādībām.
Gaismas viļņi ir elektromagnētiski viļņi ar noteiktu viļņa garumu un ietver:
- ultravioletais starojums(viļņu garums ir robežās no 1 ⋅ 10 -9 līdz 4 ⋅ 10 -7 m);
- redzamā gaisma (viļņu garums ir no 4 ⋅ 10 -7 līdz 8 ⋅ 10 -7 m);
- infrasarkanais starojums(viļņu garums svārstās no 8 ⋅ 10 -7 līdz 5 ⋅ 10 -4 m).
Redzamā gaisma aizņem ļoti šauru diapazonu elektromagnētiskā radiācija(4 ⋅ 10 -7 - 8 ⋅ 10 -7 m).
Baltā gaisma ir dažādu viļņu garumu (frekvenču) gaismas viļņu kombinācija, un noteiktos apstākļos to var sadalīt spektrā 7 komponentos ar šādiem viļņu garumiem:
- violeta gaisma - 390-435 nm;
- zilā gaisma - 435–460 nm;
- zilā gaisma - 460–495 nm;
- zaļā gaisma - 495–570 nm;
- dzeltenā gaisma - 570–590 nm;
- oranža gaisma - 590–630 nm;
- sarkanā gaisma - 630–770 nm.
Gaismas viļņa garumu nosaka ar
kur v ir gaismas viļņa izplatīšanās ātrums noteiktā vidē; ν ir gaismas viļņa frekvence.
Izplatīšanās ātrums gaismas viļņi vakuumā sakrīt ar elektromagnētisko viļņu izplatīšanās ātrumu; to nosaka fizikālās fundamentālās konstantes (elektriskās un magnētiskās konstantes) un pati par sevi ir pamatlielums ( gaismas ātrums vakuumā):
c = 1 ε 0 μ 0 ≈ 3,0 ⋅ 10 8 m/s,
kur ε 0 ir elektriskā konstante, ε 0 = 8,85 ⋅ 10 −12 F/m; µ 0 - magnētiskā konstante, µ 0 = 4π ⋅ 10 −7 H/m.
Gaismas ātrums vakuumā ir lielākais iespējamais ātrums dabā.
Pārejot no vakuuma uz vidi ar nemainīgu refrakcijas indeksu (n = const), gaismas viļņa raksturlielumi (frekvence, viļņa garums un izplatīšanās ātrums) var mainīt to vērtību:
- gaismas viļņa frekvence, kā likums, nemainās:
ν = ν 0 = nemainīgs,
kur ν ir gaismas viļņa frekvence vidē; ν 0 - gaismas viļņa frekvence vakuumā (gaisā);
- gaismas viļņa izplatīšanās ātrums samazinās n reizes:
kur v ir gaismas ātrums vidē; c ir gaismas ātrums vakuumā (gaisā), c ≈ 3,0 ⋅ 10 8 m/s; n - indikators vidēja refrakcija, n = ε μ ; ε ir vides dielektriskā konstante; µ - vides magnētiskā caurlaidība;
- gaismas viļņa garums tiek samazināts par n reizēm:
λ = λ 0 n ,
kur λ ir viļņa garums vidē; λ 0 - viļņa garums vakuumā (gaisā).
20. piemērs. Noteiktā ceļa posmā vakuumā iederas 30 zaļās gaismas viļņu garumi. Atrodiet, cik zaļās gaismas viļņu garumi iekļaujas tajā pašā segmentā caurspīdīgā vidē ar refrakcijas koeficientu 2,0.
Risinājums. Gaismas viļņa garums vidē samazinās; līdz ar to lielāks skaits viļņu garumu ietilps vidē noteiktā segmentā nekā vakuumā.
Norādītā segmenta garums ir reizinājums no:
- vakuumam -
S = N 1 λ 0 ,
kur N 1 ir viļņu garumu skaits, kas atbilst noteikta segmenta garumam vakuumā, N 1 = 30; λ 0 - zaļās gaismas viļņa garums vakuumā;
- videi -
S = N 2 λ,
kur N 2 - viļņu garumu skaits, kas atbilst noteiktā segmenta garumam vidē; λ ir zaļās gaismas viļņa garums vidē.
Vienādojumu kreisās puses vienādība ļauj uzrakstīt vienādību
N 1 λ 0 = N 2 λ.
Mēs izsakām vēlamo vērtību no šejienes:
N 2 \u003d N 1 λ 0 λ.
Gaismas viļņa garums vidē samazinās un ir attiecība
λ = λ 0 n ,
kur n ir vides refrakcijas koeficients, n = 2,0.
Attiecības aizstāšana formulā ar N 2 iegūst
N 2 \u003d N 1 n.
Aprēķināsim:
N 2 \u003d 30 ⋅ 2,0 \u003d 60.
Norādītajā segmentā vidē ietilpst 60 viļņu garumi. Ņemiet vērā, ka rezultāts nav atkarīgs no viļņa garuma.
17. gadsimta beigās par gaismas dabu radās divas zinātniskas hipotēzes - korpuskulārs un vilnis.
Saskaņā ar korpuskulāro teoriju gaisma ir sīku gaismas daļiņu (ķermeņu) plūsma, kas lido lielā ātrumā. Ņūtons uzskatīja, ka gaismas korpusu kustība pakļaujas mehānikas likumiem. Tādējādi gaismas atstarošana tika saprasta līdzīgi kā elastīgas lodītes atstarošana no plaknes. Gaismas laušana tika skaidrota ar daļiņu ātruma izmaiņām, pārejot no vienas vides uz otru.
Viļņu teorija uzskatīja gaismu kā viļņu procesu, kas līdzīgs mehāniskiem viļņiem.
Saskaņā ar mūsdienu priekšstatiem gaismai ir divējāda daba, t.i. to vienlaikus raksturo gan korpuskulārās, gan viļņveida īpašības. Tādās parādībās kā traucējumi un difrakcija priekšplānā izvirzās gaismas viļņu īpašības, bet fotoelektriskā efekta parādībā – korpuskulārās īpašības.
Gaisma kā elektromagnētiskie viļņi
Optikā ar gaismu saprot diezgan šaura diapazona elektromagnētiskos viļņus. Bieži vien ar gaismu saprot ne tikai redzamo gaismu, bet arī kā tai blakus esošos plašus spektra laukumus. Vēsturiski parādījās termins "neredzamā gaisma" - ultravioletā gaisma, infrasarkanā gaisma, radioviļņi. Redzamās gaismas viļņu garums svārstās no 380 līdz 760 nanometriem.
Viena no gaismas īpašībām ir tā krāsa, ko nosaka gaismas viļņa frekvence. Baltā gaisma ir dažādu frekvenču viļņu sajaukums. To var sadalīt krāsainos viļņos, no kuriem katram ir raksturīga noteikta frekvence. Tādus viļņus sauc vienkrāsains.
gaismas ātrums
Saskaņā ar jaunākajiem mērījumiem gaismas ātrums vakuumā
Gaismas ātruma mērījumi dažādās caurspīdīgās vielās ir parādījuši, ka tas vienmēr ir mazāks nekā vakuumā. Piemēram, ūdenī gaismas ātrums samazinās 4/3 reizes.
Elektrodinamika un optika. Fizikālo lielumu izmaiņas procesos
Uzdevums ir paredzēts pamata līmenis grūtības. Par pareizu izpildi jūs saņemsiet 2 punkti.
Risinājums aizņem apmēram 3 -5 minūtes.
Lai izpildītu 17. uzdevumu fizikā, jums jāzina:
- elektrodinamika (fizikālo daudzumu maiņa procesos)