Спиральные пучки света

Модераторы: morozov, mike@in-russia, Editor

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32491
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Спиральные пучки света

Номер сообщения:#1   morozov » Ср фев 17, 2010 18:14

Изображение Изображение
Спиральные пучки света
Изображение

Изображение
Как известно, распространение светового поля, в частности лазерного пучка, представляет собой волновое явление и, как всякий колебательный процесс, характеризуется распределением амплитуды и фазы.
Если распределения амплитуды и фазы поля заданы в некоторой плоскости, то последующая эволюция поля при распространении описывается тем или иным дифференциальным уравнением. Отсюда следует, что световое поле при распространении, вообще говоря, претерпевает количественные и качественные изменения1.
Однако, с открытием лазеров и появлением когерентной оптики, описывающей распространение лазерных пучков, было теоретически и экспериментально показано, что лазер может излучать световые пучки, которые самосогласованы таким образом, что сохраняют свою структуру при распространении и фокусировке с точностью до масштаба2. Такие пучки являются собственными колебаниями лазерных резонаторов (модами), имеют жестко заданную форму и описываются двумя семействами специальных функций с различными типами симметрии: пучки Эрмита-Гаусса и Лагерра-Гаусса, при этом низший тип колебаний в этих семействах совпадает и является известной двумерной функцией Гаусса. На рис.1 приведены примеры поперечных распределений интенсивности высших типов пучков3. Структура этих пучков сохраняется при распространении и фокусировке и может ассоциироваться с однородными деформациями растяжения-сжатия: сходящиеся и расходящиеся пучки. Закономерно поставить вопрос: имеется ли некая оптическая аналогия деформации кручения для пучков с неоднородной расходимостью? Авторами данной работы показано4, что поток световой энергии состоит в общем случае из двух компонент: потенциальной и вихревой. В определенном смысле, первая компонента соответствует деформациям растяжения, а вторая - деформациям кручения.
Изображение
Рис.1. Примеры распределений интенсивности пучка Эрмита-Гаусса и пучка Лагерра-Гаусса.

Принимая во внимание вихревую компоненту потока световой энергии, можно расширить понятие структурной устойчивости световых полей, а именно, авторами была впервые поставлена следующая задача: существуют ли лазерные пучки, сохраняющие свою структуру при распространении и фокусировке с точностью до масштаба и вращения?

Изображение
В процессе решения поставленной задачи авторами найден и полностью описан новый класс лазерных пучков, названных спиральными, которые сохраняют свою структуру при распространении и фокусировке и могут иметь различные параметры вращения5.
Известные упомянутые выше типы лазерных мод Эрмита-Гаусса и Лагерра-Гаусса являются частными случаями спиральных пучков с нулевым вращением. Отличие найденных пучков от известных в том, что они обладают двумя принципиально новыми свойствами.
Во-первых, сохраняя форму при распространении и фокусировке, они могут иметь весьма разнообразную структуру распределения интенсивности.

В частности, в семействе спиральных пучков авторами теоретически найдены и на отдельных примерах реализованы экспериментально спиральные пучки в форме произвольных кривых или их совокупности. Примеры пучков приведены на рис.2. Отметим еще раз, что в отличие от световых полей с заданным распределением интенсивности, формируемых ранее известными методами, эти спиральные пучки сохраняют свою структуру в любой плоскости наблюдения и фокусировки. Таким образом, данное свойство спиральных пучков позволяет весьма гибко менять их форму при сохранении структурной устойчивости, что представляет существенный интерес для лазерной медицины и технологии.
Изображение
Рис. 2. Примеры спиральных пучков в виде кривых: границы треугольника, квадрата и спираль Архимеда (интенсивности - верхний ряд, фазы - нижний ряд). Белый цвет соответствует фазе 2p, черный - нулевой.

Во-вторых, вихревой характер распространения световой энергии в пучках обуславливает то, что пучки обладают существенно ненулевым угловым моментом количества движения 6.
Это проявляется в том, что микроскопические объекты размерами в десятки микрон (например, живые клетки), помещенные в область фокусировки такого пучка могут приводиться во вращение вокруг своего центра инерции, удерживаться в заданной области пространства, подвергаться неоднородным заданным деформациям и т.п.
Эти два свойства дают возможность создания в области фокусировки заданных микрораспределений интенсивности и углового момента, что представляет принципиально новый инструмент для бесконтактного манипулирования микрообъектами в электронике и микробиологии7.
Следует кратко отметить и квантово-механический аспект полученных результатов. Он обусловлен тем, что эволюция лазерных пучков при распространении описывается параболическим дифференциальным уравнением, полностью аналогичным уравнению Шрёдингера, описывающим эволюцию волновых функций квантовых систем во времени. При этом структурно устойчивым лазерным пучкам соответствуют в квантовой механике стационарные решения уравнения Шрёдингера с некоторым гамильтонианом. В работе показано, что найденным спиральным пучкам соответствуют специфические стационарные состояния квантовой частицы в однородном магнитном поле, представляющие интерес в приложениях к теории квантового эффекта Холла8. Авторами разработан теоретически и реализован экспериментально ряд методов синтеза спиральных пучков. В частности, на основе впервые найденных закономерностей преобразования пучков Эрмита-Гаусса в пучки Лагерра-Гаусса показано9, что задача синтеза пучков в виде кривых сводится к формированию одномерных по структуре световых полей и их последующему преобразованию с помощью цилиндрической (астигматической) оптики10. Таким образом, задача сведена к синтезу одномерных оптических элементов, реализация которых технологически эффективно решается посредством стандартных методов литографии.

Авторами разработаны основы оптики спиральных пучков и теоретически показано, что они являются собственными колебаниями специфических резонаторов с вращением поля. Был реализован аргоновый лазер с таким резонатором и впервые получены экспериментально спиральные пучки с различными параметрами вращения11. Результаты этой части работы теоретически и экспериментально показывают принципиальную возможность создания лазеров, непосредственным результатом генерации которых без дополнительной нестандартной оптики будут пучки с заданными свойствами.
Использование фазовой структуры спиральных пучков с заданным распределением интенсивности как базовой дает новый подход и к известной задаче синтеза чисто фазовых элементов для фокусировки в кривые. Обычно базовые решения ищутся на основе метода стационарной фазы. Можно показать5, что решения на базе спиральных пучков невозможно получить таким образом. Пример решения задачи с использованием структуры спиральных пучков показан на рис.3.
Изображение
Рис. 3. Фазовый элемент для фокусировки пучка с равномерной засветкой круговой апертуры в границу квадрата (a), теоретическое (б) и экспериментальное (в) распределения интенсивности в фокусе.

Характерной чертой получаемых решений является их однотипный топологический характер и наличие существенного количества фазовых сингулярностей (вихрей), что указывает на их родство со спиральными пучками.

Таким образом, создана теоретическая и экспериментальная основа принципиально новых возможностей целенаправленного ?конструирования? лазерного излучения. На рис.4 представлен пример спирального пучка сложной формы, который, несмотря на свой ?рукотворный? вид, являются такими же естественным физико-математическим объектом как и обычный лазерный пучок.
Изображение

Рис. 4. Спиральный пучок сложной структуры (интенсивность и фаза).

Изображение
Основные результаты работы:
Найдены новые лазерные пучки, названные спиральными, которые сохраняют структуру своей интенсивности при распространении и фокусировке с точностью до масштаба и вращения. Показано, что данные пучки могут быть модами специфических резонаторов с вращением поля. Экспериментально реализован лазер с таким резонатором и получены пучки с различными параметрами вращения при распространении.
Теоретически обоснована и экспериментально показана возможность синтеза световых полей с заданными пространственными характеристиками и сохраняющих свою структуру при распространении и фокусировке. Найден класс лазерных пучков, распределение интенсивности которых имеет форму произвольной плоской линии. Разработаны основы оптики таких пучков.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

leSage
Сообщения: 387
Зарегистрирован: Пн май 19, 2008 18:01

Re: Спиральные пучки света

Номер сообщения:#2   leSage » Ср фев 17, 2010 20:00

Это не имеет отношения к ВРАЩЕНИЮ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ?
http://www.femto.com.ua/articles/part_1/0592.html

Например, вот такому:
http://www.lesage.narod.ru/Gyrotropy.htm

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32491
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Спиральные пучки света

Номер сообщения:#3   morozov » Ср фев 17, 2010 20:07

Были ссылки на форуме с рекомендациями как сделать решетку... зарубежные материалы.
Принтер не дал нужного разрешения. У меня не получилось.
но нашел только это.

http://vestnik.ssu.samara.ru/est/2002we ... 250201.pdf
http://ufn.ru/ufn04/ufn04_12/Russian/r0412a.pdf
http://www.ssc.smr.ru/media/journals/iz ... _53_56.pdf
С уважением, Морозов Валерий Борисович

leSage
Сообщения: 387
Зарегистрирован: Пн май 19, 2008 18:01

Re: Спиральные пучки света

Номер сообщения:#4   leSage » Ср фев 17, 2010 20:28

Интересно, а вот эти спиральные пучки света можно линейно поляризовать?
И затем пропустить через какой-нибудь оптически-неактивное рассеивающее вещество, ну, например, через мутное стекло.
Тогда по идее мы тоже должны будем увидеть чередующиеся светлые и тёмные участки в этом стекле.
Что доказывало бы, что это не среда вращает луч, а луч как-то сам по себе вращается.

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32491
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Спиральные пучки света

Номер сообщения:#5   morozov » Ср фев 17, 2010 21:00

leSage писал(а):Интересно, а вот эти спиральные пучки света можно линейно поляризовать?
И затем пропустить через какой-нибудь оптически-неактивное рассеивающее вещество, ну, например, через мутное стекло.
Тогда по идее мы тоже должны будем увидеть чередующиеся светлые и тёмные участки в этом стекле.
Что доказывало бы, что это не среда вращает луч, а луч как-то сам по себе вращается.
они смотрят фазовые картинки, раз фаза не одинаковая волновой фронт (вернее волновой вектор) смотрит не в направлении луча.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

leSage
Сообщения: 387
Зарегистрирован: Пн май 19, 2008 18:01

Re: Спиральные пучки света

Номер сообщения:#6   leSage » Ср фев 17, 2010 21:03

Т.е. в мутном стекле чередования полосок не ожидается.
Жаль.

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32491
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Спиральные пучки света

Номер сообщения:#7   morozov » Чт фев 18, 2010 14:47

leSage писал(а):Т.е. в мутном стекле чередования полосок не ожидается.
Жаль.
Мутное стекло надежный способ убить когерентность. Классика. Об этом есть у Вавилова.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

FENIMUS
Сообщения: 984
Зарегистрирован: Пн мар 31, 2008 11:57
Контактная информация:

Re: Спиральные пучки света

Номер сообщения:#8   FENIMUS » Пт фев 19, 2010 1:41

Круто.
А книжки с формулами есть где-то?

leSage
Сообщения: 387
Зарегистрирован: Пн май 19, 2008 18:01

Re: Спиральные пучки света

Номер сообщения:#9   leSage » Пт фев 19, 2010 16:42

Мутное стекло надежный способ убить когерентность. Классика. Об этом есть у Вавилова.
Это только лишний раз доказывает, что спиральные пучки света - всего лишь математическая абстракция.
В опыте Умова, о которой упоминается в моей статье, разноцветные спирали появляются даже не в стекле,
а в жидкости. Никакой когерености от падающего пучка света не требуется.
Ну и, конечно, можно попробовать пропустить спиральный свет через прозрачный монокристалл вещества,
не вращающий плоскость поляризации (ведь, кажется, такие в природе имеются)?
Т.е. лично для меня реальность описанного Вами явления доказала бы фотография, на которой луч обычного лазера и спиральный свет проходят сначала через среду, не вращающую плоскость поляризации, а затем - через вращающую среду.

Аватара пользователя
Alex Barri
Сообщения: 983
Зарегистрирован: Пт дек 12, 2008 15:07

Re: Спиральные пучки света

Номер сообщения:#10   Alex Barri » Пт фев 19, 2010 23:05

в свое время был описан крайне интересный эффект Тама-Хаппера :

через пары натрия пропускались два циркулярно поляризованных лазерных пучка.

1. если оба пучка "закручены" в одном направлении, то они отталкиавются

2. если в разном, то притягиваются.

Как может обьяснять этот феномен? Похоже, на форуме
это еще не обсуждалось.

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32491
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Спиральные пучки света

Номер сообщения:#11   morozov » Сб фев 20, 2010 1:25

Занятно.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
Alex Barri
Сообщения: 983
Зарегистрирован: Пт дек 12, 2008 15:07

Re: Спиральные пучки света

Номер сообщения:#12   Alex Barri » Сб фев 20, 2010 1:50

может, открыть отдельный топик? Все таки материал наверное не в тему.

Статья вроде была, опровержений не было. Собственно этот эффект "на щите" у торсионщиков, там у них тоже "все крутится" :D

Аватара пользователя
Alex Barri
Сообщения: 983
Зарегистрирован: Пт дек 12, 2008 15:07

Re: Спиральные пучки света

Номер сообщения:#13   Alex Barri » Чт ноя 25, 2010 13:24

вот интересная статья:

http://science.compulenta.ru/578318/
Получен фотонный конденсат Бозе ? Эйнштейна
Физики Боннского университета (ФРГ) взглянули на мир в новом свете. С помощью зеркал и смекалки им удалось охладить фотоны до состояния ?суперфотонов? и изобрести тем самым невиданный источник освещения.

До сих пор получение конденсата Бозе ? Эйнштейна из фотонов считалось невозможным.

?Сверхчастицы? возникали и раньше, но из света ? никогда. Возьмём, к примеру, атомы рубидия, поместим их в небольшую ёмкость и охладим до температуры, близкой к абсолютному нулю. Вскоре они придут в минимально возможное квантовое состояние. В теории фотоны должны вести себя аналогичным образом, но если вы начнёте их охлаждать, они просто исчезнут.

Хорошо, давайте теперь посмотрим на лампочку. При наличии электрического тока нить накала нагревается и начинает светиться ? сначала красным, потом жёлтым и, наконец, голубым. Примерно то же самое, только мысленно, физики проделывают с абсолютно чёрным телом: нагревают его, пока оно не начинает излучать волны разной длины в зависимости от температуры.

При охлаждении абсолютно чёрного тела оно в какой-то момент перестаёт излучать в видимом спектре, переходя на инфракрасные фотоны. В этом и заключается фотонная проблема: по мере снижения температуры уменьшается плотность излучения. Сохранение определённого количества фотонов при охлаждении оказалось почти неразрешимой задачей для исследователей конденсата Бозе ? Эйнштейна.

Чтобы избежать рассеивания фотонов, их надо заставить двигаться. Для этого немецкие учёные использовали два зеркала, которые постоянно ?отфутболивали? фотоны. При этом фотоны сталкивались с молекулами пигмента, расположенными между двумя отражающими слоями. Эти молекулы поглощали фотон и затем выбрасывали его обратно. С каждым таким столкновением фотоны медленно охлаждались до температуры молекул, то есть до комнатной.

Открытие имеет огромное значение с далеко идущими практическими последствиями, особенно для производства микросхем. Сегодняшние лазеры не могут работать на волнах ультрафиолетового и рентгеновского диапазонов. С фотонным конденсатом Бозе ? Эйнштейна это реально.

Неспособность изготавливать микросхемы с помощью коротковолнового лазера обуславливает нынешний предел прецизионности электрической цепи. Более мелкая гравировка означает появление более мощных микросхем, и это только начало. Ни одна технология из тех, что используют свет, ? от медицинских средств визуализации и лабораторной спектроскопии до фотоэлектрической энергетики ? не останется в стороне.

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32491
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Спиральные пучки света

Номер сообщения:#14   morozov » Пт ноя 26, 2010 1:54

Alex Barri писал(а):в свое время был описан крайне интересный эффект Тама-Хаппера :

через пары натрия пропускались два циркулярно поляризованных лазерных пучка.

1. если оба пучка "закручены" в одном направлении, то они отталкиавются

2. если в разном, то притягиваются.

Как может обьяснять этот феномен? Похоже, на форуме
это еще не обсуждалось.
Это скорее всего нелинейный эффект. Разновидность самофокусировки.
До сих пор получение конденсата Бозе ? Эйнштейна из фотонов считалось невозможным.
Простой объемный резонатор это легко делает...
С уважением, Морозов Валерий Борисович

igorb4
Сообщения: 90
Зарегистрирован: Сб фев 02, 2008 13:39
Откуда: Санкт-Петербург

Re: Спиральные пучки света

Номер сообщения:#15   igorb4 » Пн ноя 29, 2010 13:37

morozov писал(а):
До сих пор получение конденсата Бозе ? Эйнштейна из фотонов считалось невозможным.
Простой объемный резонатор это легко делает...
Легко сказать "легко". А кто пробовал? Хотели тоже, да как-то всё руки не доходят...

Ответить

Вернуться в «Дискуссионный клуб / Debating-Society»