Фотонные кристаллы позволят изменять частоту световой волны. Световые волны Как изменяется частота световой волны
В современных научных журналах редко приходится читать о «потрясающих открытиях» и «невероятных физических феноменах», однако именно в таких выражениях описывают результаты экспериментов над световыми волнами, проведённых в Массачусетском технологическом институте.
Суть, собственно, в следующем: один из пионеров в области фотонных кристаллов Джон Джоаннопулос (John Joannopoulos) обнаружил очень странные свойства, проявляемые такими кристаллами при воздействии на них ударной волны.
Благодаря этим свойствам с лучом света, пропускаемым через эти кристаллы, можно делать всё, что угодно — например, менять частоту световой волны (то есть, цвет). Степень подконтрольности процесса приближается к 100%, что, собственно, учёных больше всего и изумляет.
Так, а что такое фотонные кристаллы?
Это не слишком удачный, но уже вполне расхожий перевод термина Photonic Crystals. Термин был введён в конце 1980-х годов для обозначения, так сказать, оптического аналога полупроводников.
Профессор Джон Иоаннопулос.
Это искусственные кристаллы, изготовленные из полупрозрачного диэлектрика, в котором упорядоченным образом создаются воздушные «дырки», так что луч света, проходя через такой кристалл, попадает в среды то с высоким коэффициентом отражения, то с низким.
Благодаря этому в кристалле фотон оказывается примерно в тех же условиях, что и электрон в полупроводнике, а соответственно, формируются «разрешённые» и «запрещённые» фотонные зоны" (Photonic Band Gap), так что кристалл блокирует свет с длиной волны, соответствующей запрещённой фотонной зоне, в то время как свет с другими длинами волн будет распространяться беспрепятственно.
Первый фотонный кристалл был создан в начале 1990-х годов сотрудником Bell Labs Эли Яблоновичем (Eli Yablonovitch), который теперь работает в Университете Калифорния. Узнав об опытах Иоаннопулоса, он назвал степень достигнутого контроля над световыми волнами «шокирующей».
Проведя компьютерные симуляции, команда Иоаннопулоса обнаружила, что при воздействии ударной волны на кристалл, его физические свойства резко меняются. Например, кристалл, который пропускал красный свет и отражал зелёный, становился вдруг прозрачным для зелёного света, и непроницаемым для красной части спектра.
Небольшой фокус с ударными волнами позволял и вовсе «остановить» свет внутри кристалла: световая волна начинала «биться» между «сжатой» и «несжатой» частью кристалла — получался своего рода эффект зеркальной комнаты.
Схема процессов, происходящих в фотонном кристалле при прохождении сквозь него ударной волны.
Поскольку ударная волна проходит сквозь кристалл, световая волна подвергается смещению Доплера каждый раз, когда соприкасается с ударным импульсом.
Если ударная волна движется в направлении обратном движению световой волны, частота света становится выше при каждом столкновении.
Если ударная волна идёт в том же направлении, что и свет, его частота падает.
После 10 тысяч отражений, происходящих приблизительно за 0,1 наносекунды, частота светового импульса меняется очень значительно, так что красный свет может сделаться синим. Частота даже может выйти за пределы видимой части спектра — в инфракрасную или ультрафиолетовую область.
Изменяя структуру кристалла можно добиться полного контроля над тем, какие частоты будут входить в кристалл, и какие выходить.
Но к практическим испытаниям Иоаннопулос и его коллеги пока только собираются приступать — ибо, как уже сказано, их результаты основаны на компьютерных симуляциях.
Кадр из видеоряда компьютерной симуляции, проведённой Иоаннопулосом и его коллегами.
В настоящее время идут переговоры с Национальной лабораторией Лоренса Ливермора (Lawrence Livermore National Laboratory) о «реальных» опытах: сначала кристаллы будут расстреливать пулями, а в дальнейшем, вероятно, — звуковыми импульсами, которые менее разрушительны для самих кристаллов.
В конце XVII века возникли две научные гипотезы о природе света - корпускулярная и волновая .
Согласно корпускулярной теории, свет представляет собой поток мельчайших световых частиц (корпускул), которые летят с огромной скоростью. Ньютон считал, что движение световых корпускул подчиняется законам механики. Так, отражение света понималось аналогично отражению упругого шарика от плоскости. Преломление света объяснялось изменением скорости частиц при переходе из одной среды в другую.
Волновая теория рассматривала свет как волновой процесс, подобный механическим волнам.
Согласно современным представлениям, свет имеет двоякую природу, т.е. он одновременно характеризуется и корпускулярными, и волновыми свойствами. В таких явлениях, как интерференция и дифракция, на первый план выступают волновые свойства света, а в явлении фотоэффекта, - корпускулярные.
Свет как электромагнитные волны
Под светом в оптике понимают электромагнитные волны достаточно узкого диапазона. Нередко, под светом понимают не только видимый свет, но и примыкающие к нему широкие области спектра. Исторически появился термин «невидимый свет» - ультрафиолетовый свет, инфракрасный свет, радиоволны. Длины волн видимого света лежат в диапазоне от 380 до 760 нанометров.
Одной из характеристик света является его цвет , который определяется частотой световой волны. Белый свет представляет собой смесь волн различных частот. Он может быть разложен на цветные волны, каждая из которых характеризуется определенной частотой. Такие волны называются монохроматическими.
Скорость света
Согласно самым новым измерениям скорость света в вакууме
Измерения скорости света в различных прозрачных веществах показали, что она всегда меньше, чем в вакууме. Например, в воде скорость света уменьшается в 4/3 раза.
Световые волны - это электромагнитные волны, которые включают в себя инфракрасную, видимую и ультрафиолетовую части спектра. Длины световых волн в вакууме, соответствующие основным цветам видимого спектра, указаны в нижеприведенной таблице. Длина волны дана в нанометрах, .
Таблица
Для световых волн характерны те же свойства, что и для электромагнитных волн.
1. Световые волны поперечны.
2. В световой волне колеблются вектора и .
Опыт показывает, что все виды воздействий (физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и др.) вызываются колебаниями электрического вектора . Его называют световым вектором . Уравнение световой волны имеет сведующий вид
Амплитуду светового вектора E m часто обозначают буквой A и вместо уравнения (3.30) используют уравнение (3.24).
3. Скорость света в вакууме 
.
Скорость световой волны в среде определяется по формуле (3.29). Но для прозрачных сред (стекло, вода) обычно , поэтому .
Для световых волн вводится понятие - абсолютный показатель преломления.
Абсолютным показателем преломления называется отношение скорости света в вакууме к скорости света в данной среде
Из (3.29), с учетом того, что для прозрачных сред , можно записать равенство .
Для вакуума ε = 1 и n = 1. Для любой физической среды n > 1. Например, для воды n = 1,33, для стекла . Среда с большим показателем преломления называется оптически более плотной. Отношение абсолютных показателей преломления называется относительным показателем преломления:
4. Частота световых волн очень велика. Например, для красного света с длиной волны 
.
При переходе света из одной среды в другую частота света не изменяется, но изменяется скорость и длина волны.
Для вакуума - ; для среды - , тогда
.
Отсюда длина волны света в среде равна отношению длины волны света в вакууме к показателю преломления
5. Поскольку частота световых волн очень велика 
, то глаз наблюдателя не различает отдельных колебаний, а воспринимает усредненные потоки энергии. Таким образом вводится понятие интенсивности.
Интенсивностью называется отношение средней энергии, переносимой волной, к промежутку времени и к площади площадки, перпендикулярной направлению распространения волны:
Поскольку энергия волны пропорциональна квадрату амплитуды (см. формулу (3.25)), то интенсивность пропорциональна среднему значению квадрата амплитуды
Характеристикой интенсивности света, учитывающей его способность вызывать зрительные ощущения, является световой поток - Ф .
6. Волновая природа света проявляется, например, в таких явлениях, как интерференция и дифракция.
Электродинамика и оптика. Изменение физических величин в процессах
Задание относится к базовому уровню сложности. За правильное выполнение получишь 2 балла.
На решение примерно отводится 3 -5 минут .
Для выполнения задания 17 по физике необходимо знать:
- Электродинамику (изменение физических величин в процессах)