Los cristales fotónicos te permitirán cambiar la frecuencia de la onda de luz. Ondas de luz ¿Cómo cambia la frecuencia de una onda de luz?
en moderno revistas científicas Es raro leer sobre “descubrimientos asombrosos” y “fenómenos físicos increíbles”, pero estos son los términos utilizados para describir los resultados de los experimentos sobre ondas de luz realizados en el Instituto de Tecnología de Massachusetts.
De hecho, la cuestión es la siguiente: uno de los pioneros en el campo de los cristales fotónicos, John Joannopoulos, descubrió propiedades muy extrañas que exhiben dichos cristales cuando se exponen a una onda de choque.
Gracias a estas propiedades, es posible hacer cualquier cosa con un haz de luz que atraviese estos cristales; por ejemplo, cambiar la frecuencia de la onda de luz (es decir, el color). El grado de control del proceso se acerca al 100%, lo que, de hecho, es lo que más sorprende a los científicos.
Entonces, ¿qué son los cristales fotónicos?
Esta no es una traducción muy exitosa, pero ya bastante común, del término Cristales Fotónicos. El término se introdujo a finales de los años 80 para designar, por así decirlo, el análogo óptico de los semiconductores.
Profesor John Ioannopoulos.
Se trata de cristales artificiales hechos de un dieléctrico translúcido, en los que se crean “agujeros” de aire de forma ordenada, de modo que un rayo de luz que pasa a través de dicho cristal entra en medios con alta o baja reflectividad.
Debido a esto, el fotón en el cristal se encuentra aproximadamente en las mismas condiciones que el electrón en el semiconductor y, en consecuencia, se forman bandas fotónicas "permitidas" y "prohibidas" (Photonic Band Gap), de modo que el cristal bloquea la luz con una longitud de onda correspondiente a la zona de fotones prohibida, mientras que la luz con otras longitudes de onda se propagará sin obstáculos.
El primer cristal fotónico fue creado a principios de la década de 1990 por Eli Yablonovitch, empleado de los Laboratorios Bell, ahora en la Universidad de California. Al enterarse de los experimentos de Ioannopoulos, calificó de "impactante" el grado de control logrado sobre las ondas de luz.
Al ejecutar simulaciones por computadora, el equipo de Ioannopoulos descubrió que cuando un cristal se expone a una onda de choque, propiedades físicas cambiar dramáticamente. Por ejemplo, un cristal que transmitía luz roja y reflejaba luz verde de repente se volvió transparente a la luz verde y opaco a la parte roja del espectro.
Un pequeño truco con ondas de choque hizo posible "detener" completamente la luz dentro del cristal: la onda de luz comenzó a "latir" entre las partes "comprimidas" y "no comprimidas" del cristal; se obtuvo una especie de efecto de sala de espejos. .
Esquema de los procesos que ocurren en un cristal fotónico cuando una onda de choque lo atraviesa.
A medida que la onda de choque atraviesa el cristal, la onda de luz sufre un desplazamiento Doppler cada vez que entra en contacto con el pulso de choque.
Si la onda de choque se mueve en dirección opuesta a la onda de luz, la frecuencia de la luz aumenta con cada colisión.
Si la onda de choque viaja en la misma dirección que la luz, su frecuencia disminuye.
Después de 10 mil reflexiones, que ocurren en aproximadamente 0,1 nanosegundos, la frecuencia del pulso de luz cambia de manera muy significativa, de modo que la luz roja puede volverse azul. La frecuencia puede incluso ir más allá de la parte visible del espectro, hasta la región infrarroja o ultravioleta.
Al cambiar la estructura del cristal, puede lograr un control total sobre qué frecuencias entrarán en el cristal y cuáles saldrán.
Pero Ioannopoulos y sus colegas están a punto de comenzar las pruebas prácticas, porque, como ya se ha dicho, sus resultados se basan en simulaciones por ordenador.
Imagen fija de una secuencia de vídeo de una simulación por ordenador realizada por Ioannopoulos y sus colegas.
Actualmente se están llevando a cabo negociaciones con el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore sobre experimentos "reales": primero, los cristales serán disparados con balas y luego, probablemente, con pulsos de sonido, que son menos destructivos para los propios cristales.
A finales del siglo XVII surgieron dos hipótesis científicas sobre la naturaleza de la luz: corpuscular Y ola.
Según la teoría corpuscular, la luz es una corriente de diminutas partículas luminosas (corpúsculos) que vuelan desde enorme velocidad. Newton creía que el movimiento de los corpúsculos ligeros obedece a las leyes de la mecánica. Así, la reflexión de la luz se entendía como similar a la reflexión de una bola elástica desde un avión. La refracción de la luz se explica por el cambio en la velocidad de las partículas al pasar de un medio a otro.
La teoría ondulatoria consideraba la luz como un proceso ondulatorio similar a las ondas mecánicas.
De acuerdo a ideas modernas, la luz tiene una naturaleza dual, es decir. se caracteriza simultáneamente por propiedades corpusculares y ondulatorias. En fenómenos como la interferencia y la difracción pasan a primer plano las propiedades ondulatorias de la luz, y en el fenómeno del efecto fotoeléctrico, las corpusculares.
La luz como ondas electromagnéticas.
En óptica, luz significa ondas electromagnéticas rango bastante estrecho. A menudo se entiende por luz no sólo la luz visible, sino también las regiones de amplio espectro adyacentes a ella. Históricamente, apareció el término "luz invisible": luz ultravioleta, luz infrarroja, ondas de radio. Las longitudes de onda de la luz visible oscilan entre 380 y 760 nanómetros.
Una de las características de la luz es su color, que está determinada por la frecuencia de la onda de luz. La luz blanca es una mezcla de ondas de diferentes frecuencias. Se puede descomponer en ondas de colores, cada una de las cuales se caracteriza cierta frecuencia. Estas ondas se llaman monocromo.
Velocidad de la luz
Según las últimas mediciones, la velocidad de la luz en el vacío
Las mediciones de la velocidad de la luz en diversas sustancias transparentes han demostrado que siempre es menor que en el vacío. Por ejemplo, en el agua la velocidad de la luz disminuye 4/3 veces.
Las ondas de luz son ondas electromagnéticas que incluyen las partes infrarroja, visible y ultravioleta del espectro. Las longitudes de onda de la luz en el vacío correspondientes a los colores primarios del espectro visible se muestran en la siguiente tabla. La longitud de onda se da en nanómetros.
Mesa
Las ondas luminosas tienen las mismas propiedades que las ondas electromagnéticas.
1. Las ondas luminosas son transversales.
2. Los vectores y oscilan en una onda luminosa.
La experiencia demuestra que todo tipo de influencias (fisiológicas, fotoquímicas, fotoeléctricas, etc.) son causadas por oscilaciones del vector eléctrico. El es llamado vector de luz . La ecuación de la onda de luz tiene la siguiente forma.
Amplitud del vector de luz. mi m a menudo se denota con la letra A y en lugar de la ecuación (3.30), se utiliza la ecuación (3.24).
3. Velocidad de la luz en el vacío 
.
La velocidad de una onda de luz en un medio está determinada por la fórmula (3.29). Pero en el caso de medios transparentes (vidrio, agua), esto suele ser así.
Para las ondas de luz, se introduce el concepto de índice de refracción absoluto.
Índice de refracción absoluto es la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en un medio dado
De (3.29), teniendo en cuenta que para medios transparentes, podemos escribir la igualdad .
Para vacío ε = 1 y norte= 1. Para cualquier entorno físico norte> 1. Por ejemplo, para agua norte= 1,33, para vidrio. Un medio con un índice de refracción más alto se llama ópticamente más denso. La relación de índices de refracción absolutos se llama índice de refracción relativo:
4. La frecuencia de las ondas luminosas es muy alta. Por ejemplo, para luz roja con longitud de onda 
.
Cuando la luz pasa de un medio a otro, la frecuencia de la luz no cambia, pero sí la velocidad y la longitud de onda.
Para vacío - ; para el medio ambiente -, entonces
.
Por tanto, la longitud de onda de la luz en el medio es igual a la relación entre la longitud de onda de la luz en el vacío y el índice de refracción.
5. Porque la frecuencia de las ondas luminosas es muy alta 
, entonces el ojo del observador no distingue las vibraciones individuales, pero percibe flujos de energía promedio. Esto introduce el concepto de intensidad.
Intensidad llamada relación energía promedio, transportado por la onda, a un período de tiempo y al área del sitio perpendicular a la dirección de propagación de la onda:
Dado que la energía de la onda es proporcional al cuadrado de la amplitud (ver fórmula (3.25)), la intensidad es proporcional al valor promedio del cuadrado de la amplitud.
La característica de la intensidad de la luz, teniendo en cuenta su capacidad para provocar sensaciones visuales, es flujo luminoso - F .
6. La naturaleza ondulatoria de la luz se manifiesta, por ejemplo, en fenómenos como la interferencia y la difracción.
Electrodinámica y óptica. Cambios en cantidades físicas en los procesos.
La tarea se relaciona con nivel básico dificultades. Para una correcta ejecución recibirás 2 puntos.
Se tarda aproximadamente 3 -5 minutos.
Para completar la tarea 17 en física necesitas saber:
- Electrodinámica (cambio de cantidades físicas en procesos)