Как изменить длину волны света

Оптическая метла «остановит» свет

Ученые описали универсальный способ сверхбыстрой передачи данных

Международная группа исследователей, в которую входит сотрудник Университета ИТМО, опубликовала статью о контролируемом изменении скорости и спектра светового сигнала.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Фото: Laser &Photonics Reviews

Ученые давно пытаются решить проблему: как переключить световой сигнал на другой частотный канал или остановить его на время без перевода в электронный формат. Это позволило бы создать полностью оптические роутеры и увеличить скорость передачи данных. Группа исследователей, в которую входят сотрудник Университета ИТМО Александр Петров и его коллеги из Технического университета Гамбурга, Университета Минуфии, Центра Гельмгольца в Гестхахте и Университета Иокогамы, опубликовала совместную статью по этой тематике. В ней они обобщили опыт предыдущих поколений исследователей, а также объяснили, как небольшое изменение показателя преломления можно использовать для эффективного управления светом.

Некоторое время назад ученым удалось показать, что световой импульс, попавший в резонатор с меняющимся индексом преломления, может поменять свою частоту, то есть, по сути, изменить цвет. Этот эффект получил название «прямой переход».

Чтобы нагляднее объяснить происходящее, Петров сравнивает свет со звуком: «Можно ли изменить частоту уже возбужденных колебаний так, чтобы энергия колебаний плавно перешла с одной частоты на другую? На этот вопрос может легко ответить тот, кто когда-то настраивал гитару. Если ударить по струне и, пока звук не угас, менять натяжение струны, то частота колебаний изменится. Это так называемое динамическое изменение частоты. Длина волны колебания, определенная длиной струны, остается постоянной. Можно показать, что такой же эффект произойдет и в случае волны, бегущей по струне. Если менять натяжение струны во время движения, то волна, запущенная из точки А на одной частоте, придет в точку Б на другой частоте. Удивительно, что длина волны в этом случае опять окажется неизменной. Подобные эффекты наблюдаются и в оптике».

Оптический сигнал может менять не только частоту, но и длину волны. Это происходит всякий раз, когда свет проходит через границу двух сред: воздуха и воды, воды и стекла. Если граница между двумя средами двигается, то при прохождении света может изменяться как длина волны, так и ее частота. В этом случае свет совершает так называемый непрямой переход.

Александр Петров: «В обычных средах скорость распространения энергии света не зависит от частоты. В оптических волноводах и специальных средах ситуация может быть гораздо сложнее — с частотой меняется и скорость распространения. Представьте, что сигнал должен отразиться от движущейся границы, но из-за изменения частоты и, соответственно, скорости свет не может удалиться от нее».

Используя этот эффект, можно даже при определенных условиях остановить световой сигнал и сохранить его на некоторое время, чтобы потом передать с задержкой. Можно также и сжать световой сигнал для увеличения скорости передачи данных.

Александр Петров: «Прохождение света через границу между двумя средами (через фронт) при некоторых условиях может быть использовано для полной остановки света. То есть, пройдя через фронт, свет попадает в состояние с нулевой групповой скоростью. Еще есть эффект, который получил название “оптическая метла” (optical pushbroom), так как фронт собирает свет на своем пути и сжимает его. Свет в данном случае подобен серферу на волне. Серфер направляет свою скорость так, чтобы не потерять волну, и, непрерывно скатываясь со склона, использует полученную энергию для компенсации силы трения о воду. В случае света правильно выбранное дисперсионное соотношение волновода тоже позволяет свету как бы поймать волну и, находясь на склоне фронта, получать энергию. Так как трение света отсутствует, дополнительная энергия используется для увеличения частоты».

Применений у описанных эффектов, утверждают ученые, множество. В первую очередь — увеличение скорости передачи данных. Это станет возможным благодаря созданию полностью оптического роутера, который действовал бы на этом принципе.

Александр Петров: «Сейчас роутер считывает оптический сигнал, переводит его в электронный, затем вновь конвертирует его в оптический. Это занимает время и требует дополнительной энергии. В оптическом роутере не будет перехода на электронные сигналы. Можно сразу оптический сигнал переключить на другой канал. Для этого можно взять пакет информации, пропустить через такой фронт внутри волновода и перескочить на другую частоту. Это не только повысит скорость, но и снизит затраты энергии, что важно для дата-центров, суперкомпьютеров».

Эффект «оптической метлы» поможет создавать импульсные лазеры на основе постоянного лазера. Можно будет генерировать оптические импульсы с любой длиной волны, не теряя энергии. Также можно будет генерировать оптические импульсы произвольной формы. Сейчас есть такие генераторы для микроволн, но не для света.

Александр Петров: «Взаимодействие света с фронтом индекса преломления имеет еще много интересных задач. Недавно мы создали “оптическую метлу” в кремниевом волноводе. Пока нам не удалось измерить продолжительность импульса, собранного фронтом, но по спектральным характеристикам и из расчета мы ожидаем, что получили сжатие света примерно в 100 раз. В будущем мы планируем также остановить свет в волноводе».

Научный форум dxdy

Изменение частоты ЭМ излучения и длины ЭМ волн

На страницу 1 , 2 След.

Изменение частоты ЭМ излучения и длины ЭМ волн
13.11.2018, 10:51

Последний раз редактировалось limarodessa 13.11.2018, 10:51, всего редактировалось 1 раз.

Доброго времени суток

Мой вопрос: какие существуют явления при которых меняется частота (и длина волны, естественно) электромагнитного излучения ? Кроме комбинационного рассеяния света (рамановского рассеяния) и рассеяния Мандельштама — Бриллюэна. Есть ли еще какие-то кроме упомянутых мною явлений, которые используются в технике и/или лабораторных условиях для изменения длины волны без использования обычных электронных технических устройств ?

Re: Изменение частоты ЭМ излучения и длины ЭМ волн
13.11.2018, 11:10
https://en.wikipedia.org/wiki/Second-harmonic_generation
Вроде подходит под тему.
Re: Изменение частоты ЭМ излучения и длины ЭМ волн
13.11.2018, 11:14
limarodessa в сообщении #1353709 писал(а):

которые используются в технике и/или лабораторных условиях для изменения длины волны без использования обычных электронных технических устройств ?

1. А нет ли тут взаимоисключающих параграфов? (выделение шрифтом моё)
2. Эффект Доплера.

Re: Изменение частоты ЭМ излучения и длины ЭМ волн
13.11.2018, 11:18

Последний раз редактировалось limarodessa 13.11.2018, 11:25, всего редактировалось 2 раз(а).

EUgeneUS в сообщении #1353711 писал(а):
limarodessa в сообщении #1353709 писал(а):

1. А нет ли тут взаимоисключающих параграфов? (выделение шрифтом моё).

Полагаю что нет. Под «обычными электронными техническими устройствами» я подразумеваю изделия электронного машиностроения: полупроводниковая (хотя можно и ламповую использовать) электроника, которая непосредственно служит для преобразования частоты. Однако, для преобразования частоты могут использоваться и изделия приборостроения , в которых электроника если и используется, то для некоторых вспомогательных целей, а не непосредственно для преобразования частоты

Re: Изменение частоты ЭМ излучения и длины ЭМ волн
13.11.2018, 13:32
limarodessa в сообщении #1353709 писал(а):

какие существуют явления при которых меняется частота (и длина волны, естественно) электромагнитного излучения ?

Это подойдёт? и если не подойдёт то почему?

1) Лазеры. Накачка осуществляется высокоэнергетическими фотонами, а когерентное излучение более низкой частоты.
2) Люминесценция. Как в ртутных лампах «дневного» света. ультрафиолетовое излучение освещает люминофор и тот светится излучением более низкой частоты.

Re: Изменение частоты ЭМ излучения и длины ЭМ волн
13.11.2018, 13:40

Последний раз редактировалось limarodessa 13.11.2018, 13:41, всего редактировалось 1 раз.

rascas в сообщении #1353728 писал(а):
Это подойдёт? и если не подойдёт то почему?

Подойдет. Потому что прошу полную картину Поэтому спасибо

Re: Изменение частоты ЭМ излучения и длины ЭМ волн
13.11.2018, 16:39

Экс-модератор

rascas в сообщении #1353728 писал(а):

2) Люминесценция. Как в ртутных лампах «дневного» света. ультрафиолетовое излучение освещает люминофор и тот светится излучением более низкой частоты.

Люминесценция может быть и антистоксовой.

rascas в сообщении #1353728 писал(а):

1) Лазеры. Накачка осуществляется высокоэнергетическими фотонами, а когерентное излучение более низкой частоты.

Насчет лазера не уверен, но вообще можно организовать двухфотонное поглощение с последующим излучением одного высокоэнергетичного фотона.

EUgeneUS в сообщении #1353711 писал(а):
2. Эффект Доплера.

Если такая пьянка пошла, то можно сказать, что длина волны меняется и при переходе из одной среды в другую, если оптические плотности разные.

se-sss в сообщении #1353710 писал(а):

Вроде подходит под тему.

А также генерация более высоких гармоник, получение суммарных и разностных частот, четырехволновое взаимодействие и это.

Re: Изменение частоты ЭМ излучения и длины ЭМ волн
13.11.2018, 17:21

Заслуженный участник

Комптоновское рассеяние подойдёт?
Re: Изменение частоты ЭМ излучения и длины ЭМ волн
13.11.2018, 17:45

Заслуженный участник

Для изменения длины волны достаточно поменять скорость распространения. Среда (уравнения движения) может при этом оставаться линейной. Что бы поменять частоту среда должна быть нелинейной.

Re: Изменение частоты ЭМ излучения и длины ЭМ волн
13.11.2018, 19:23
Munin в сообщении #1353763 писал(а):
Комптоновское рассеяние подойдёт?

И не только Мунину спасибо, но и другим ответившим

Re: Изменение частоты ЭМ излучения и длины ЭМ волн
13.11.2018, 19:26

limarodessa
Вы в стартовом сообщении говорили про ЭМ-волны вообще, а не только про свет.
Как писали выше — для изменения частоты нужна нелинейность.
Но в электронике преобразования частот на нелинейностях и происходит, не понятно, почему её нужно исключать.

Re: Изменение частоты ЭМ излучения и длины ЭМ волн
13.11.2018, 19:47

Последний раз редактировалось limarodessa 13.11.2018, 19:51, всего редактировалось 2 раз(а).

amon в сообщении #1353767 писал(а):

Вот здесь все становится очень мрачно. Во-первых, в этом случае меняется длина волны, но частота не меняется. Во-вторых, тут не совсем понятно (лично мне), что является курицей, а что — яйцом при наличии дисперсии: длина волны влияет на показатель преломления, или же частота меняет показатель преломления, а тот, в свою, очередь — длину волны:

Цитата:

Диспе́рсия све́та (разложение света) — это совокупность явлений, обусловленных зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от частоты (или длины волны ) света (частотная дисперсия), или, то же самое, зависимостью фазовой скорости света в веществе от частоты (или длины волны )

Вот здесь диспут на эту тему:

Re: Изменение частоты ЭМ излучения и длины ЭМ волн
13.11.2018, 19:57

Экс-модератор

Последний раз редактировалось photon 13.11.2018, 19:58, всего редактировалось 1 раз.

limarodessa в сообщении #1353782 писал(а):
Вот здесь диспут на эту тему:

И вам там ответили, что дисперсия тут ни при чем, по большому счету. Длина волны изменится при переходе из одной среды в другую. Насколько сильно — зависит от показателей преломления сред. Роль дисперсии в том, что показатели преломления будут разные для разных частот, соответственно, изменение тоже будет зависеть от частоты.

PS Не люблю, когда разбрасывают в разных местах один и тот же вопрос, а потом тыкают «а вот там сказали», или, что было бы еще хуже, то, что только что почерпнули из другой дискуссии, выдают за свои догадки/мысли/решения.

Физики научились изменять длину волны таммовских плазмонов

Ученые из СФУ и Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН провели теоретические исследования гибридных таммовских плазмонов. При помощи численных расчетов они смогли предсказать структуру, в которой можно управлять длиной волны этих квазичастиц при помощи внешнего электрического поля или нагревания. Статья с результатами работы опубликована в журнале Journal of the Optical Society of America B.

Школьная физика учит, что основа обычного зеркала — это тонкая фольга из алюминия, а лучше — из серебра. Стекло, являющееся по сути большим прозрачным куском обычного кремниевого песка, просто не дает фольге погнуться и заржаветь. Однако стекло тоже отражает свет, поэтому из десятка слоев обычного стекла и флинтгласа (особого бесцветного стекла) можно сделать более дорогое, но и более качественное, чем металлическое, зеркало. Такую структуру еще называют одномерным фотонным кристаллом, то есть в ней коэффициент преломления периодически меняется в одном направлении, в данном случае — перпендикулярно слоям. Что будет, если такое многослойное зеркало покрыть серебром? Выглядеть это будет как торт Наполеон, где вместо коржей — стекло и флинтглас, вместо крема сверху — серебро, а толщина такого торта чуть больше микрона. В таком устройстве свет можно запереть между двумя зеркалами — металлическим и многослойным. Энергия света накапливается на границе между металлическим и многослойным зеркалами и начинает просачиваться через многослойное зеркало. Так двойное зеркало может пропускать, а не отражать свет.

В такой ситуации между зеркалами образуется особая квазичастица света — не фотон, а таммовский плазмон. «Возникновение такой квазичастицы возможно только при покрытии металла многослойным зеркалом. В таком случае можно получить запертый между зеркалами свет, причем одна из отражающих поверхностей обязательно должна быть металлической. В отличие от обычного плазмона, который является бегущей волной, таммовский представляет собой стоячую, то есть он не приводит к переносу энергии», — пояснил суть работы первый автор статьи Павел Панкин из Сибирского федерального университета.

Для большинства случаев практического применения очень важно управлять длиной волны таммовского плазмона, его цветом. Например, это позволяет сделать лазер с настраиваемой, а не с фиксированной, частотой излучения. Для этого российские физики предложили связать плазмон с микрорезонатором, что было достигнуто путем включения в модель слоя жидкого кристалла в многослойном зеркале. В результате свет начал накапливаться не только на границе двух зеркал, но и в этом слое, — так получилась гибридная структура. Ранее, чтобы изменить цвет таммовского плазмона, приходилось изготавливать новую структуру. Теперь для этого достаточно нагреть или электризовать жидкий кристалл, и связь заставит таммовский плазмон поменять цвет. Таммовский плазмон позволяет создавать лазеры, оптические фильтры, источники одиночных фотонов, тепловые эмиттеры и поглотители нового типа. Авторы работы надеются, что их работа позволит расширить спектр возможных применений. Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.

Как рыбам изменить длину волны испускаемого света: ответ дали школьники

Екатеринбург, 28 ноября, 2018, 11:58 — ИА Регнум. Победитель Свердловского областного химического турнира — команда школьников The Chemical Brothers — предложила способ преобразования биохимического процесса изменения длины волны света, испускаемого глубоководной рыбой для привлечения добычи, сообщает 28 ноября пресс-служба Уральского федерального университета.

«Они предложили использовать фотобактерии являющихся симбионтами живых организмов. Бактерия в своей клетке производит белок, который, в свою очередь, способен окисляться кислородом, и в ходе данной реакции происходит выделение света с определенной длиной волны. Меняя кислотность среды, можно изменить длину волны испускаемого света» , — сообщила куратор команды Анна Брюзгина.

Отмечается, что в организме рыбы рода Malacosteus за переключение длины волны отвечают два органа. Уникальность решения школьников заключается в том, что при использовании фотобактерий потребуется всего один орган.

В команду Chemical Brothers вошли учащиеся из Первоуральска (лицей №21) и Екатеринбурга (СУНЦ УрФУ и гимназия №9).

В 2018 году соревнования были посвящены химии в водной среде. Участники — школьники Свердловской области — также искали решения по спасению мира от глобального потепления; очистке рыбы после нахождения в воде, загрязненной ртутью; измерению концентрации растворенного кислорода, метана, углекислого газа и сероводорода на дне Марианской впадины.