Ako sa mení frekvencia svetelnej vlny? Fotonické kryštály vám umožnia meniť frekvenciu svetelnej vlny. Svetlo ako elektromagnetické vlny
V modernom vedeckých časopisoch je zriedkavé čítať o „úžasných objavoch“ a „neuveriteľných fyzikálnych javoch“, ale práve takýmto spôsobom sú opísané výsledky experimentov na svetelných vlnách uskutočnených na Massachusetts Institute of Technology.
Pointa je v skutočnosti toto: jeden z priekopníkov v oblasti fotonických kryštálov, John Joannopoulos, objavil veľmi zvláštne vlastnosti, ktoré takéto kryštály prejavujú, keď sú vystavené rázovej vlne.
Vďaka týmto vlastnostiam s lúčom svetla prechádzajúcim cez tieto kryštály môžete robiť čokoľvek – napríklad meniť frekvenciu svetelnej vlny (teda farbu). Stupeň kontrolovateľnosti procesu sa blíži k 100 %, čo v skutočnosti vedcov prekvapuje najviac.
Takže, čo sú fotonické kryštály?
Toto nie je veľmi vydarený, ale už celkom bežný preklad pojmu Photonic Crystals. Termín bol zavedený koncom 80. rokov 20. storočia, aby takpovediac označoval optický analóg polovodičov.
Profesor John Ioannopoulos.
Ide o umelé kryštály vyrobené z priesvitného dielektrika, v ktorých sú usporiadane vytvorené vzduchové „diery“, takže lúč svetla prechádzajúci takýmto kryštálom vstupuje do médií s vysokým koeficientom odrazu, potom s nízkym.
Vďaka tomu je fotón v kryštáli približne v rovnakých podmienkach ako elektrón v polovodiči, a preto sa vytvárajú „povolené“ a „zakázané“ fotonické pásy „(Photonic Band Gap)“, takže kryštál blokuje svetlo s vlnovou dĺžkou zodpovedajúcou zakázanej fotónovej zóne, zatiaľ čo svetlo s inými vlnovými dĺžkami sa bude šíriť bez prekážok.
Prvý fotonický kryštál vytvoril začiatkom 90. rokov minulého storočia zamestnanec Bell Labs Eli Yablonovitch, teraz na Kalifornskej univerzite. Keď sa dozvedel o Ioannopoulosových experimentoch, nazval dosiahnutý stupeň kontroly nad svetelnými vlnami „šokujúci“.
Prostredníctvom počítačových simulácií zistil Ioannopoulosov tím, že keď sa na kryštál aplikuje rázová vlna, je to tak fyzikálne vlastnosti drasticky zmeniť. Napríklad kryštál, ktorý prepúšťa červené svetlo a odráža zelené svetlo, sa zrazu stane priehľadným pre zelené svetlo a nepreniknuteľným pre červenú časť spektra.
Malý trik s rázovými vlnami umožnil úplne „zastaviť“ svetlo vo vnútri kryštálu: svetelná vlna začala „biť“ medzi „stlačenou“ a „nestlačenou“ časťou kryštálu – získal sa akýsi efekt zrkadlovej miestnosti. .
Schéma procesov prebiehajúcich vo fotonickom kryštáli, keď ním prechádza rázová vlna.
Keď rázová vlna prechádza kryštálom, svetelná vlna podlieha Dopplerovmu posunu zakaždým, keď zasiahne rázový impulz.
Ak sa rázová vlna pohybuje v opačnom smere ako svetelná vlna, frekvencia svetla sa pri každej zrážke zvyšuje.
Ak sa rázová vlna šíri rovnakým smerom ako svetlo, jej frekvencia klesá.
Po 10 000 odrazoch, ktoré nastanú za približne 0,1 nanosekundy, sa frekvencia svetelného impulzu veľmi výrazne zmení, takže červené svetlo sa môže zmeniť na modré. Frekvencia môže dokonca presahovať viditeľnú časť spektra – do infračervenej alebo ultrafialovej oblasti.
Zmenou štruktúry kryštálu môžete dosiahnuť úplnú kontrolu nad tým, ktoré frekvencie vstupujú do kryštálu a ktoré vystupujú.
Ale Ioannopoulos a jeho kolegovia sa práve chystajú začať s praktickými testami – pretože, ako už bolo spomenuté, ich výsledky sú založené na počítačových simuláciách.
Záber z video sekvencie počítačovej simulácie, ktorú vykonal Ioannopoulos a jeho kolegovia.
V súčasnosti prebiehajú rokovania s Národným laboratóriom Lawrence Livermore o „skutočných“ experimentoch: najprv budú kryštály vystreľované guľkami a neskôr pravdepodobne aj zvukovými impulzmi, ktoré sú pre samotné kryštály menej deštruktívne.
11.3. vlnová optika
11.3.1. Rozsah a hlavné charakteristiky svetelných vĺn
Vlnová optika využíva koncept svetelných vĺn, ktorých vzájomná interakcia a prostredie, v ktorom sa šíria, vedie k javom interferencie, difrakcie a disperzie.
Svetelné vlny sú elektromagnetické vlny so špecifickou vlnovou dĺžkou a zahŕňajú:
- ultrafialové žiarenie(vlnové dĺžky sa pohybujú od 1 ⋅ 10 −9 do 4 ⋅ 10 −7 m);
- viditeľné svetlo (vlnové dĺžky sa pohybujú od 4 ⋅ 10 −7 do 8 ⋅ 10 −7 m);
- Infra červená radiácia(vlnové dĺžky sa pohybujú od 8 ⋅ 10 −7 do 5 ⋅ 10 −4 m).
Viditeľné svetlo zaberá veľmi úzky rozsah elektromagnetická radiácia(4 ⋅ 10 −7 - 8 ⋅ 10 −7 m).
Biele svetlo je kombináciou svetelných vĺn rôznych vlnových dĺžok (frekvencií) a za určitých podmienok sa dá rozložiť do spektra na 7 zložiek s týmito vlnovými dĺžkami:
- fialové svetlo - 390–435 nm;
- modré svetlo - 435–460 nm;
- modré svetlo - 460–495 nm;
- zelené svetlo - 495–570 nm;
- žlté svetlo - 570–590 nm;
- oranžové svetlo - 590–630 nm;
- červené svetlo - 630-770 nm.
Vlnová dĺžka svetla je daná
kde v je rýchlosť šírenia svetelnej vlny v danom prostredí; ν je frekvencia svetelnej vlny.
Rýchlosť šírenia svetelné vlny vo vákuu sa zhodujú s rýchlosťou šírenia elektromagnetických vĺn; je určená základnými fyzikálnymi konštantami (elektrické a magnetické konštanty) a sama je základnou veličinou ( rýchlosť svetla vo vákuu):
c = 1 ε 0 μ 0 ≈ 3,0 ⋅ 10 8 m/s,
kde ε 0 je elektrická konštanta, ε 0 = 8,85 ⋅ 10 -12 F/m; µ 0 - magnetická konštanta, µ 0 = 4π ⋅ 10 −7 H/m.
Rýchlosť svetla vo vákuu je najvyššia možná rýchlosť v prírode.
Pri prechode z vákua do prostredia s konštantným indexom lomu (n = const) môžu charakteristiky svetelnej vlny (frekvencia, vlnová dĺžka a rýchlosť šírenia) zmeniť svoju hodnotu:
- frekvencia svetelnej vlny sa spravidla nemení:
ν = ν 0 = konštanta,
kde ν je frekvencia svetelnej vlny v médiu; ν 0 - frekvencia svetelnej vlny vo vákuu (vzduchu);
- rýchlosť šírenia svetelnej vlny sa zníži n-krát:
kde v je rýchlosť svetla v médiu; c je rýchlosť svetla vo vákuu (vzduchu), c ≈ 3,0 ⋅ 10 8 m/s; n - indikátor stredná refrakcia n = e μ; ε je dielektrická konštanta média; µ - magnetická permeabilita média;
- vlnová dĺžka svetla sa zníži n-krát:
λ = λo n,
kde λ je vlnová dĺžka v médiu; λ 0 - vlnová dĺžka vo vákuu (vzduchu).
Príklad 20. Na určitý úsek dráhy vo vákuu sa zmestí 30 vlnových dĺžok zeleného svetla. Zistite, koľko vlnových dĺžok zeleného svetla sa zmestí na rovnaký segment v priehľadnom médiu s indexom lomu 2,0.
Riešenie . Dĺžka svetelnej vlny v médiu klesá; v dôsledku toho sa do média v určitom segmente zmestí väčší počet vlnových dĺžok ako do vákua.
Dĺžka špecifikovaného segmentu je súčinom:
- pre vákuum -
S = N 1 λ 0,
kde N 1 je počet vlnových dĺžok, ktoré zodpovedajú dĺžke daného segmentu vo vákuu, N 1 = 30; λ 0 - vlnová dĺžka zeleného svetla vo vákuu;
- pre životné prostredie -
S = N2 λ,
kde N 2 - počet vlnových dĺžok, ktoré zodpovedajú dĺžke daného segmentu v médiu; λ je vlnová dĺžka zeleného svetla v médiu.
Rovnosť ľavých strán rovníc nám umožňuje zapísať rovnosť
N1A0 = N2A.
Odtiaľto vyjadrujeme požadovanú hodnotu:
N2 \u003d N1 λ 0 λ.
Vlnová dĺžka svetla v médiu klesá a je pomer
λ = λo n,
kde n je index lomu prostredia, n = 2,0.
Dosadením pomeru do vzorca pre N 2 dostaneme
N 2 \u003d N 1 n.
Poďme počítať:
N 2 \u003d 30 ⋅ 2,0 \u003d 60.
Na označený segment sa do média zmestí 60 vlnových dĺžok. Všimnite si, že výsledok nezávisí od vlnovej dĺžky.
Koncom 17. storočia vznikli dve vedecké hypotézy o povahe svetla – korpuskulárne a mávať.
Svetlo je podľa korpuskulárnej teórie prúd drobných svetelných častíc (teliesok), ktoré letia veľkou rýchlosťou. Newton veril, že pohyb ľahkých teliesok sa riadi zákonmi mechaniky. Odraz svetla sa teda chápal podobne ako odraz pružnej gule od roviny. Lom svetla bol vysvetlený zmenou rýchlosti častíc pri prechode z jedného prostredia do druhého.
Vlnová teória považovala svetlo za vlnový proces podobný mechanickému vlneniu.
Svetlo má podľa moderných predstáv dvojakú povahu, t.j. súčasne sa vyznačuje korpuskulárnymi aj vlnovými vlastnosťami. Pri javoch ako interferencia a difrakcia vystupujú do popredia vlnové vlastnosti svetla a pri fenoméne fotoelektrického javu korpuskulárne.
Svetlo ako elektromagnetické vlny
Svetlom sa v optike rozumejú elektromagnetické vlny pomerne úzkeho rozsahu. Často sa svetlo chápe nielen ako viditeľné svetlo, ale aj ako široké oblasti spektra, ktoré k nemu priliehajú. Historicky sa objavil pojem "neviditeľné svetlo" - ultrafialové svetlo, infračervené svetlo, rádiové vlny. Vlnové dĺžky viditeľného svetla sa pohybujú od 380 do 760 nanometrov.
Jednou z vlastností svetla je jeho farba, ktorá je určená frekvenciou svetelnej vlny. Biele svetlo je zmesou vĺn rôznych frekvencií. Dá sa rozložiť na farebné vlny, z ktorých každá sa vyznačuje určitou frekvenciou. Takéto vlny sa nazývajú monochromatické.
rýchlosť svetla
Podľa najnovších meraní rýchlosť svetla vo vákuu
Merania rýchlosti svetla v rôznych priehľadných látkach ukázali, že je vždy menšia ako vo vákuu. Napríklad vo vode sa rýchlosť svetla zníži o 4/3 krát.
Elektrodynamika a optika. Zmena fyzikálnych veličín v procesoch
Zadanie je pre Základná úroveňťažkosti. Za správne vykonanie dostanete 2 body.
Riešenie trvá približne 3 -5 minút.
Na dokončenie úlohy 17 z fyziky potrebujete vedieť:
- elektrodynamika (zmena fyzikálnych veličín v procesoch)