Frekuenca e valës së dritës do të ndryshojë. Valë të lehta

Në revistat moderne shkencore rrallë lexohet për "zbulime mahnitëse" dhe "dukuri fizike të pabesueshme", por këto janë termat që përdoren për të përshkruar rezultatet e eksperimenteve mbi valët e dritës të kryera në Institutin e Teknologjisë në Massachusetts.

Përfundimi është ky: një nga pionierët në fushën e kristaleve fotonike, John Joannopoulos, zbuloi veti shumë të çuditshme që shfaqin kristale të tillë kur ekspozohen ndaj një valë shoku.

Falë këtyre vetive, ju mund të bëni gjithçka që dëshironi me një rreze drite të kaluar nëpër këto kristale - për shembull, ndryshoni frekuencën e valës së dritës (d.m.th., ngjyrën). Shkalla e kontrollit të procesit po i afrohet 100%, gjë që, në fakt, është ajo që më së shumti i mahnit shkencëtarët.

Pra, çfarë janë kristalet fotonike?

Ky nuk është një përkthim shumë i suksesshëm, por tashmë mjaft i zakonshëm i termit Kristal fotonik. Termi u prezantua në fund të viteve 1980 për të përcaktuar, si të thuash, analogun optik të gjysmëpërçuesve.

Profesor John Ioannopoulos.

Bëhet fjalë për kristale artificiale të bëra nga një dielektrik i tejdukshëm, në të cilin krijohen "vrima" ajri në mënyrë të rregullt, në mënyrë që një rreze drite që kalon nëpër një kristal të tillë të hyjë në media ose me reflektim të lartë ose me një të ulët.

Për shkak të kësaj, fotoni në kristal e gjen veten në kushte përafërsisht të njëjta si elektroni në gjysmëpërçues, dhe në përputhje me rrethanat, formohen brezat fotonik "të lejuar" dhe "të ndaluar" (Hapësira e brezit fotonik), në mënyrë që kristali të bllokojë dritën me një gjatësi vale që korrespondon me zonën e ndaluar të fotonit, ndërsa drita me gjatësi vale të tjera do të përhapet pa pengesa.

Kristali i parë fotonik u krijua në fillim të viteve 1990 nga punonjësi i Bell Labs, Eli Yablonovitch, tani në Universitetin e Kalifornisë. Pasi mësoi për eksperimentet e Ioannopoulos, ai e quajti shkallën e kontrollit të arritur mbi valët e dritës "tronditëse".

Pas kryerjes së simulimeve kompjuterike, ekipi i Ioannopoulos zbuloi se kur një kristal ekspozohet ndaj një valë shoku, vetitë e tij fizike ndryshojnë në mënyrë dramatike. Për shembull, një kristal që transmetonte dritën e kuqe dhe reflektonte dritën jeshile, papritmas u bë transparent në dritën jeshile dhe i errët në pjesën e kuqe të spektrit.

Një mashtrim i vogël me valë goditëse bëri të mundur "ndalimin" e plotë të dritës brenda kristalit: vala e dritës filloi të "rrahë" midis pjesëve "të ngjeshur" dhe "të pakompresuar" të kristalit - u mor një lloj efekti i dhomës së pasqyrës. .

Skema e proceseve që ndodhin në një kristal fotonik kur një valë goditëse kalon nëpër të.

Ndërsa vala goditëse kalon nëpër kristal, vala e dritës i nënshtrohet një zhvendosjeje Doppler sa herë që bie në kontakt me pulsin e goditjes.

Nëse vala goditëse lëviz në drejtim të kundërt me valën e dritës, frekuenca e dritës bëhet më e lartë me çdo përplasje.

Nëse vala goditëse udhëton në të njëjtin drejtim si drita, frekuenca e saj bie.

Pas 10 mijë reflektimeve, që ndodhin në rreth 0,1 nanosekonda, frekuenca e pulsit të dritës ndryshon shumë ndjeshëm, kështu që drita e kuqe mund të kthehet në blu. Frekuenca mund të shkojë edhe përtej pjesës së dukshme të spektrit - në rajonin infra të kuqe ose ultravjollcë.

Duke ndryshuar strukturën e kristalit, mund të arrini kontroll të plotë se cilat frekuenca do të hyjnë në kristal dhe cilat do të dalin jashtë.

Por Ioannopoulos dhe kolegët e tij janë gati të fillojnë testet praktike - sepse, siç u tha tashmë, rezultatet e tyre bazohen në simulime kompjuterike.

Një foto nga një sekuencë video e një simulimi kompjuterik të kryer nga Ioannopoulos dhe kolegët e tij.

Negociatat janë duke u zhvilluar me Laboratorin Kombëtar Lawrence Livermore rreth eksperimenteve "të vërteta": së pari, kristalet do të qëllohen me plumba dhe më pas, ndoshta, me pulsime zanore, të cilat janë më pak shkatërruese për vetë kristalet.

11.3. Optika valore

11.3.1. Gama dhe karakteristikat kryesore të valëve të dritës

Optika valore përdor konceptin e valëve të dritës, ndërveprimi i të cilave me njëra-tjetrën dhe me mjedisin në të cilin ato përhapen çon në fenomenet e interferencës, difraksionit dhe dispersionit.

Valët e dritës janë valë elektromagnetike me një gjatësi vale specifike dhe përfshijnë:

• rrezatimi ultravjollcë(gjatësitë valore variojnë nga 1 ⋅ 10 −9 deri në 4 ⋅ 10 −7 m);
• drita e dukshme (gjatësitë e valëve variojnë nga 4 ⋅ 10 −7 deri në 8 ⋅ 10 −7 m);
• rrezatimi infra të kuqe(gjatësitë e valëve variojnë nga 8 ⋅ 10 −7 deri në 5 ⋅ 10 −4 m).

Drita e dukshme zë një gamë shumë të ngushtë të rrezatimit elektromagnetik (4 ⋅ 10 −7 - 8 ⋅ 10 −7 m).

Drita e bardhë është një kombinim i valëve të dritës me gjatësi vale (frekuenca) të ndryshme dhe, në kushte të caktuara, mund të zbërthehet në një spektër në 7 komponentë me gjatësi vale të mëposhtme:

• drita vjollce - 390–435 nm;
• drita blu - 435–460 nm;
• drita blu - 460–495 nm;
• drita jeshile - 495–570 nm;
• drita e verdhë - 570–590 nm;
• drita portokalli - 590–630 nm;
• drita e kuqe - 630–770 nm.

Gjatësia e valës së dritës jepet nga formula

ku v është shpejtësia e përhapjes së valës së dritës në një mjedis të caktuar; ν është frekuenca e valës së dritës.

Shpejtësia e përhapjes valët e dritës në vakum përputhen me shpejtësinë e përhapjes së valëve elektromagnetike; përcaktohet nga konstantet themelore fizike (konstantet elektrike dhe magnetike) dhe është në vetvete një sasi themelore ( shpejtësia e dritës në vakum):

c = 1 ε 0 μ 0 ≈ 3,0 ⋅ 10 8 m/s,

ku ε 0 është konstanta elektrike, ε 0 = 8,85 ⋅ 10 −12 F/m; μ 0 - konstante magnetike, μ 0 = 4π ⋅ 10 −7 H/m.

Shpejtësia e dritës në vakum është shpejtësia maksimale e mundshme në natyrë.

Kur lëvizni nga një vakum në një mjedis me një indeks refraktiv konstant (n = konst), karakteristikat e një valë drite (frekuenca, gjatësia e valës dhe shpejtësia e përhapjes) mund të ndryshojnë vlerën e tyre:

• Frekuenca e valës së dritës, si rregull, nuk ndryshon:

ν = ν 0 = konst,

ku ν është frekuenca e valës së dritës në medium; ν 0 - frekuenca e valës së dritës në vakum (ajër);

• shpejtësia e përhapjes së valës së dritës zvogëlohet me n herë:

ku v është shpejtësia e dritës në medium; c është shpejtësia e dritës në vakum (ajër), c ≈ 3,0 ⋅ 10 8 m/s; n është indeksi i thyerjes së mediumit, n = ε μ; ε është konstanta dielektrike e mediumit; μ - përshkueshmëria magnetike e mediumit;

• Gjatësia e valës së dritës zvogëlohet me n herë:

λ = λ 0 n,

ku λ është gjatësia e valës në medium; λ 0 - gjatësia e valës në vakum (ajër).

Shembulli 20. Mbi një segment të caktuar të shtegut, 30 gjatësi vale të dritës jeshile vendosen në vakum. Gjeni sa gjatësi vale të dritës jeshile përshtaten në të njëjtin segment në një mjedis transparent me një indeks thyerjeje prej 2.0.

Zgjidhje . Gjatësia e valës së dritës në mjedis zvogëlohet; Rrjedhimisht, në një segment të caktuar, një numër më i madh i gjatësive valore do të përshtaten në medium sesa në një vakum.

Gjatësia e segmentit të treguar është produkti i:

• për vakum -

S = N 1 λ 0 ,

ku N 1 është numri i gjatësive valore që përshtaten përgjatë gjatësisë së një segmenti të caktuar në vakum, N 1 = 30; λ 0 - gjatësia e valës së dritës së gjelbër në vakum;

• për mjedisin -

S = N 2 λ,

ku N 2 është numri i gjatësive valore që përshtaten përgjatë gjatësisë së një segmenti të caktuar në medium; λ është gjatësia e valës së dritës së gjelbër në medium.

Barazia e anëve të majta të ekuacioneve na lejon të shkruajmë barazinë

N 1 λ 0 = N 2 λ.

Le të shprehim vlerën e dëshiruar nga këtu:

N 2 = N 1 λ 0 λ .

Gjatësia e valës së dritës në mjedis zvogëlohet dhe është raporti

λ = λ 0 n,

ku n është indeksi i thyerjes së mediumit, n = 2.0.

Zëvendësimi i raportit në formulën për N 2 jep

N2 = N1n.

Le të llogarisim:

N 2 = 30 ⋅ 2,0 = 60.

Në segmentin e treguar, 60 gjatësi vale përshtaten në medium. Vini re se rezultati nuk varet nga gjatësia e valës.

Në fund të shekullit të 17-të, u ngritën dy hipoteza shkencore për natyrën e dritës - korpuskulare Dhe valë.

Sipas teorisë korpuskulare, drita është një rrjedhë e grimcave të vogla të dritës (korpuskulave) që fluturojnë me shpejtësi të madhe. Njutoni besonte se lëvizja e trupave të dritës i bindet ligjeve të mekanikës. Kështu, reflektimi i dritës u kuptua si i ngjashëm me reflektimin e një topi elastik nga një aeroplan. Përthyerja e dritës shpjegohej me ndryshimin e shpejtësisë së grimcave kur lëviznin nga një mjedis në tjetrin.

Teoria e valës e shikonte dritën si një proces valor të ngjashëm me valët mekanike.

Sipas ideve moderne, drita ka një natyrë të dyfishtë, d.m.th. karakterizohet njëkohësisht nga vetitë korpuskulare dhe valore. Në dukuri të tilla si interferenca dhe difraksioni dalin në pah vetitë valore të dritës dhe në dukurinë e efektit fotoelektrik dalin në pah vetitë korpuskulare.

Drita si valë elektromagnetike

Në optikë, drita i referohet valëve elektromagnetike të një diapazoni mjaft të ngushtë. Shpesh, drita kuptohet jo vetëm si dritë e dukshme, por edhe në rajonet e spektrit të gjerë ngjitur me të. Historikisht, u shfaq termi "dritë e padukshme" - dritë ultravjollcë, dritë infra të kuqe, valë radio. Gjatësia e valës së dritës së dukshme varion nga 380 në 760 nanometra.

Një nga karakteristikat e dritës është ajo ngjyra, e cila përcaktohet nga frekuenca e valës së dritës. Drita e bardhë është një përzierje valësh me frekuenca të ndryshme. Mund të zbërthehet në valë me ngjyra, secila prej të cilave karakterizohet nga një frekuencë specifike. Valë të tilla quhen monokromatike.

Shpejtësia e dritës

Sipas matjeve më të reja, shpejtësia e dritës në vakum

Matjet e shpejtësisë së dritës në substanca të ndryshme transparente kanë treguar se ajo është gjithmonë më e vogël se në vakum. Për shembull, në ujë shpejtësia e dritës zvogëlohet me 4/3 herë.

Drita është një fenomen kompleks: në disa raste ajo sillet si një valë elektromagnetike, në të tjera sillet si një rrymë grimcash të veçanta (fotone). Ky vëllim përshkruan optikën valore, domethënë një sërë fenomenesh të bazuara në natyrën valore të dritës. Tërësia e fenomeneve të shkaktuara nga natyra korpuskulare e dritës do të shqyrtohet në vëllimin e tretë.

Në një valë elektromagnetike, vektorët E dhe H lëkunden Përvoja tregon se efektet fiziologjike, fotokimike, fotoelektrike dhe të tjera të dritës shkaktohen nga lëkundjet e vektorit elektrik. Në përputhje me këtë, ne do të flasim më tej për vektorin e dritës, duke nënkuptuar me të vektorin e forcës së fushës elektrike. Vështirë se do të përmendim vektorin magnetik të valës së dritës.

Ne do të shënojmë modulin e amplitudës së vektorit të dritës, si rregull, me shkronjën A (ndonjëherë ). Prandaj, ndryshimi në kohë dhe hapësirë ​​i projeksionit të vektorit të dritës në drejtimin përgjatë të cilit ai lëkundet do të përshkruhet nga ekuacioni

Këtu k është numri i valës dhe është distanca e matur përgjatë drejtimit të përhapjes së valës së dritës. Për një valë të rrafshët që përhapet në një mjedis jo absorbues, A = konst për një valë sferike, A zvogëlohet si, etj.

Raporti i shpejtësisë së valës së dritës në vakum me shpejtësinë e fazës v në një mjedis të caktuar quhet indeksi absolut i thyerjes së këtij mjedisi dhe shënohet me shkronjë. Kështu,

Krahasimi me formulën (104.10) tregon se për shumicën dërrmuese të substancave transparente, praktikisht nuk ndryshon nga uniteti. Prandaj mund të supozojmë se

Formula (110.3) lidh vetitë optike të një lënde me vetitë e saj elektrike. Në pamje të parë mund të duket se kjo formulë është e pasaktë. Për shembull, për ujin, megjithatë, duhet të kihet parasysh se vlera është marrë nga matjet elektrostatike. Në fushat elektrike që ndryshojnë me shpejtësi, vlera është e ndryshme dhe varet nga frekuenca e lëkundjeve të fushës. Kjo shpjegon shpërndarjen e dritës, d.m.th., varësinë e indeksit të thyerjes (ose shpejtësisë së dritës) nga frekuenca (ose gjatësia e valës). Zëvendësimi i vlerës së marrë për frekuencën përkatëse në formulën (110.3) çon në vlerën e saktë.

Vlerat e indeksit të thyerjes karakterizojnë densitetin optik të mediumit. Një medium me një më të madh thuhet se është optikisht më i dendur se një medium me një më të vogël. Prandaj, një medium me më pak quhet optikisht më pak i dendur se një medium me më shumë.

Gjatësia e valës së dritës së dukshme janë brenda intervalit

Këto vlera i referohen valëve të dritës në vakum. Në materie, gjatësitë e valëve të dritës do të jenë të ndryshme. Në rastin e lëkundjeve të frekuencës v, gjatësia e valës në vakum është e barabartë me . Në një mjedis në të cilin shpejtësia fazore e valës së dritës, gjatësia e valës ka një vlerë. Kështu, gjatësia e valës së dritës në një mjedis me një indeks thyes është e lidhur me gjatësinë e valës në vakum nga relacioni.

Frekuencat e valëve të dritës së dukshme janë brenda intervalit

Frekuenca e ndryshimeve në vektorin e densitetit të fluksit të energjisë që bartet nga vala do të jetë edhe më e madhe (është e barabartë me ). As syri dhe as ndonjë marrës tjetër i energjisë së dritës nuk mund të ndjekin ndryshime kaq të shpeshta në rrjedhën e energjisë, si rezultat i të cilave ata regjistrojnë një rrjedhë mesatare në kohë. Moduli i vlerës mesatare kohore të densitetit të fluksit të energjisë i transferuar nga një valë drite quhet intensiteti i dritës në një pikë të caktuar në hapësirë.

Dendësia e fluksit të energjisë elektromagnetike përcaktohet nga vektori Poynting S. Rrjedhimisht,

Mesatarja kryhet gjatë kohës së "operimit" të pajisjes, e cila, siç u përmend, është shumë më e gjatë se periudha e lëkundjes së valës. Intensiteti matet ose në njësi energjie (për shembull, W/m2) ose në njësi drite të quajtura "lumen për metër katror" (shih § 114).

Sipas formulës (105.12), madhësitë e amplitudave të vektorëve E dhe H në një valë elektromagnetike lidhen me relacionin

(ne vendosim). Nga kjo rrjedh se

ku është indeksi i thyerjes së mjedisit në të cilin përhapet vala. Kështu, proporcionalisht:

Moduli i vlerës mesatare të vektorit Poynting është proporcional. Prandaj, ne mund ta shkruajmë atë

(110.9)

(koeficienti i proporcionalitetit është i barabartë me ). Prandaj, intensiteti i dritës është proporcional me indeksin e thyerjes së mediumit dhe katrorin e amplitudës së valës së dritës.

Vini re se kur shqyrtojmë përhapjen e dritës në një mjedis homogjen, mund të supozojmë se intensiteti është proporcional me katrorin e amplitudës së valës së dritës:

Megjithatë, në rastin e dritës që kalon përmes ndërfaqes midis mediave, një shprehje për intensitetin që nuk merr parasysh faktorin , çon në mosruajtjen e fluksit të dritës.

Vijat nëpër të cilat lëviz energjia e dritës quhen rreze. Vektori mesatar Poynting (S) drejtohet në çdo pikë tangjente me rreze. Në mjediset izotropike, drejtimi (S) përkon me normalen në sipërfaqen e valës, d.m.th., me drejtimin e vektorit të valës k, për rrjedhojë, rrezet janë pingul me sipërfaqet valore. Në mjediset anizotropike, normalja me sipërfaqen e valës në përgjithësi nuk përkon me drejtimin e vektorit Poynting, kështu që rrezet nuk janë ortogonale me sipërfaqet e valës.

Edhe pse valët e dritës janë tërthore, ato zakonisht nuk tregojnë asimetri në lidhje me rreze. Kjo për faktin se në dritën natyrore (d.m.th., drita e emetuar nga burimet e zakonshme) ka dridhje që ndodhin në një sërë drejtimesh pingul me rreze (Fig. 111.1). Rrezatimi i një trupi të ndritshëm përbëhet nga valët e emetuara nga atomet e tij. Procesi i rrezatimit të një atomi individual vazhdon për rreth . Gjatë kësaj kohe, një sekuencë gungash dhe depresionesh (ose, siç thonë ata, një tren valësh) me një gjatësi prej afërsisht 3 m, ka kohë për t'u "shuar", atomi "ndizet" përsëri pas ca kohësh.

Shumë atome "ndizen" në të njëjtën kohë.

Trenat e valëve të ngacmuara prej tyre, duke u mbivendosur mbi njëri-tjetrin, formojnë një valë drite të emetuar nga trupi. Plani i lëkundjes për çdo tren është i orientuar rastësisht. Prandaj, në valën që rezulton, luhatjet në drejtime të ndryshme përfaqësohen me probabilitet të barabartë.

Në dritën natyrale, dridhjet në drejtime të ndryshme zëvendësojnë shpejt dhe rastësisht njëra-tjetrën. Drita në të cilën drejtimet e dridhjeve janë të renditura në një farë mënyre quhet e polarizuar. Nëse vektori i dritës lëkundet vetëm në një rrafsh që kalon nëpër rreze, drita quhet e polarizuar në plan (ose në mënyrë lineare). Rregulli mund të qëndrojë në faktin se vektori E rrotullohet rreth rrezes, duke pulsuar njëkohësisht në madhësi. Si rezultat, fundi i vektorit E përshkruan një elipsë. Një dritë e tillë quhet e polarizuar në mënyrë eliptike. Nëse fundi i vektorit E përshkruan një rreth, thuhet se drita është e polarizuar në mënyrë rrethore.

Në kapitujt XVII dhe XVIII do të trajtojmë dritën natyrore. Prandaj, drejtimi i lëkundjeve të vektorit të dritës nuk do të jetë me interes të veçantë për ne. Metodat për prodhimin dhe vetitë e dritës së polarizuar janë diskutuar në kapitull. XIX.