198 obserwujących
942 notki
1987k odsłon
1341 odsłon

Wśród tajemnic światła(6).Promienie Airy'ego

Wykop Skomentuj40


 Jeśli w tym popularnym ujęciu tematu: tajemnice natury światła, opowiedziałem się za stanowiskiem, że swobodny promień świetlny ( lub wiązka światła} nie jest rojem fotonów poruszających się z prędkościami o tym samym kierunku,a jedynie w aktach emisji i absorpcji światła przez substancje/materię dominuje kwantowość, to staje przede mną pytanie: - czy teoretyczny model J.C.Maxwella, promieniowania elektromagnetycznego opisuje i wyjaśnia nowe odkrycia eksperymentalne nieliniowej optyki współczesnej ?

 Technika wytwarzania laserowych wiązek,to wcielenie praktyczne elektrodynamiki kwantowej,lecz całość optyki nieliniowej nie daje podstawy do jednoznacznych odpowiedzi na to pytanie,jedynie rozbudzając chmurę wątpliwości i kłótni.

 Krótkotrwałe impulsy światła, o czasie trwania rzędu 10^(-15)sekundy (lasery femto-sekundowe ),lub  o czasie krótszym,oraz bardzo dużej mocy chwilowej/impulsowej,; oraz punktowej, wykazują - między aktami emisji i absorpcji światła- falową strukturę światła, ale wielce osobliwą ,często trudną do opisu równaniami Maxwella w klasycznej postaci..

  Promienie świetlne nie są pędzącym tłumem fotonów,lecz krótkim ciągiem "paczek", lub "pakietów falowych" (wave packet), a najczęściej odosobnioną,pojedynczą paczką falową.Jednak modele matematyczne tych obiektów proponowane przez fizyków-teoretyków ostatnich lat (poczyniłem o tych modelach, wzmiankę w poprzednim wpisie, nawet z rysunkiem) nie są zgodne z doświadczeniem.

Natomiast użycie tych terminów (paczka falowa,pakiet falowy)w drugiej połowie XIX wieku miało uzasadnienie w odkryciu empirycznym (i opisaniu matematycznym ),struktury wewnętrznej promienia świetlnego,lub wiązki światła, przez brytyjskiego matematyka,fizyka i królewskiego astronoma Sir Georgea Bidella AIry(1801-1892).

Oto paradoksalny meander historii fizyki: kwantowa optyka XX wieku,chcąc obcować z tajemnicami promieni światła (dzięki technice światła laserowego) musi wrócić do wieku XIX -tego,modyfikując jednocześnie swoje pojęcie "paczki falowej"proponowane wego czasu np.przez noblistę Ludwika de Broglie'a.

Ród G.Airy'ego,sięga XIV wieku,jako matematyk został odkryty gdy miał 13 lat,absolwent Cambridge, w wieku 25 lat obejmuje Lucasian Chair of Mathematics, po Newtonie, a przed Dirac-kiem,dwa lata później dyrektor obserwatorium astronomicznego kolejno: w Cambridge, i w Greenwich, czterokrotny prezydent Royal Astronomy Society.

image

Sir  George Bidell  Airy(wiki.eng)

G.Airy, był tytanem pracy badawczej oraz liderem królewskiej polityki rozwoju nauk ścisłych w Wielkiej Brytanii. Gdyby nie było przed nim Newtona,on byłby"newtonem"fizyki angielskiej.Wniósł poważny wkład do falowej optyki , w kraju gdzie ten model światła był na indeksie(jako francuski). Zbudował kompletną teorię powstawania tęczy,formułując przy okazji matematyczny model obiektów zwanych potocznie promieniami(lub wiązkami) światła.Następne sto lat fizyki,obeszło się z nim okrutnie:prawie wykreślono go z jej kart.

Gwałtowny rozwój fizyki laserowej,czyli fizyki impulsów świetlnych ,bez kontynuacji optyki falowej Airyego jest nie do pomyślenia. W roku 1978 Michael Berry i Nandor Balazs, badając równanie Schroedingera dla cząstki swobodnej, otrzymali rozwiązanie w postaci zbliżonej do znanej funkcji zwanej całką Airy'ego [1], której grafika jest płaską wizualizacją swobodnego pakietu falowego [ paczki falowej]. Berry i Balazs wykazali ,że zmodyfikowana funkcja Airy [ przez obcięcie wykładnicze] reprezentuje swobodną wiązkę światła w postaci ciągu paczek falowych.

A w roku 2007 grupa pod kierunkiem G.A. Siviloglou oraz D.N. Christodoulidesa [2/2a] poinformowała świat ,że zobaczono paczki falowe światła ,których kształt i struktura spełniają funkcję /całkę Airy wykładniczo obciętą.

image

rys.1 Przestrzenna  struktura  rozkładu  natężenia w  promieniu Airy.źródło:literatura[5]

Dzisiaj, w kilku laboratoriach świata (np. w USA, Japonii, Chinach, Australii, Niemczech, Izraelu) wykazano już eksperymentalnie, że struktura przestrzenna rozkładu natężenia światła w takiej paczce falowej( w przekroju poprzecznym) jest opisywana nie tylko funkcjami specjalnymi Airy, lecz także Bessela, lub Gaussa.

 Takie wiązki/promienie światła nazwano “promieniami Airy” [Airy beams].W przekroju poprzecznym promień Airy’ego wykazuje centralny obszar głównej intensywności/natężenia z przylegającymi do niego mniej intensywnymi obszarami, rozchodzącymi się do nieskończoności. W praktycznych zastosowaniach, promień jest obcięty.Podczas rozchodzenia się, promień nie ulega dyfrakcji na krawędziach otworów i na przeszkodach o rozmiarach porównywalnych z długością fali użytego,monochromatycznego światła,a więc nie rozprasza się.

Co więcej,Airy beams mają zaskakujące własności fizyczne i zachowują się bardzo tajemniczo. Po pierwsze ,światło o silnej strukturze “packet waves” nie rozchodzi się w próżni prostoliniowo! Naturalnym, nie wymuszonym ,swobodnym torem “paczki falowej” jest linia krzywa! Najczęściej parabola. Przeczy to zasadom mechaniki: krzywoliniowy tor obiektu fizycznego wymaga działania, o kierunku tworzącym kąt niezerowy z wektorem prędkości tego obiektu. A tutaj -w zrealizowanych eksperymentach-nie ma żadnego zewnętrznego działania na grupie kilku pakietów falowych.

Wykop Skomentuj40
Ciekawi nas Twoje zdanie! Napisz notkę Zgłoś nadużycie

Więcej na ten temat

Salon24 news

Co o tym sądzisz?

Inne tematy w dziale Technologie