Есть конспект?
Пришлите нам!

Алхимия со светом позволила выявить новый неизвестный эффект фотонных кристаллов, который позволит творить со светом практически что угодно.


Ошеломляющих успехов в выявлении новых свойств у кристаллов фотоники добились исследователи Калифорнийского Университета. Исследователи утверждают, что им удалось получить окончательный контроль над светом - они могут изменять частоту пучков любого луча света к любому желательному диапазону спектра, с сохранением 100%-ной эффективности (КПД) идущего потока фотонов.

Последние результаты работы Джона Джоаннополоса и его исследовательской группы в Калифорнийском Университете, добившейся этих потрясающих результатов, опубликованы в журнале Physical Review Letters.

"Степень контроля над светом действительно шокирует", говорит эксперт фотоники Эли Яблоновитч из Калифорнийского Университета в Лос-Анджелесе. Если этот эффект скоро удастся использовать на практике, то это будет означать научно-техническую революцию. Можно будет преобразовывать теплоту в свет, а обычный свет в потоки радиации терагерцовой мощности.

На сегодня, чтобы изменить частоту пучка света, через него посылают чрезвычайно интенсивный световой импульс - с мощностью в мегаватты или даже гигаватты. Тогда он взаимодействует с первым лучом и изменяет его частоту, но этот процесс чрезвычайно дорог и обладает низкой эффективностью, а также требует громоздкого оборудования и больших энергоемких источников питания.

Но когда Джоаннополос и его коллеги - Эван Рид и Мерин Солясис исследовали, что происходит, когда световые волны проходят через устройство, называемое фотонным кристаллом, они обнаружили этот новый неожиданный эффект. Фотонные кристаллы, которые сделаны из прослоенных материалов, и предназначенные для изменения основной входящей траектории световых лучей, могут быть специально доработаны таким образом, чтобы они могли отражать некоторые волны частоты заданного спектра при одновременном пропускании оптических волн других диапазонов. Сами кристаллы используются, чтобы регулировать свет примерно таким же образом, как в электронных схемах регулируются направления пропускания электрического тока.

Путем компьютерного моделирования исследователи определили, что ударные волны, проходящие через кристалл, изменяют его свойства. Например, кристалл, который обычно позволяет пропускать красный свет, но отражать зеленый, мог бы стать прозрачным к зеленому свету и отражать красный после такой метаморфозы.

В результате этого свет заманивается в ловушку на границе входа световой волны в кристалл, и начинает отражаться между внешними слоями кристалла на входе и выходе, попав в так называемый "зал зеркал". Это чем-то схоже с явлением лазерной накачки, только без увеличения числа фотонов.

Поскольку свет проходит через кристалл, его частота меняется согласно эффекту Доплера, с каждым новым отражением. Например, если менять свойства света, когда он идет в противоположном направлении к входящему через кристалл основному потоку, то частота света станет выше с каждым новым отражением, в то время как если перестроить процесс на обратный, то частота света будет уменьшаться. Это происходит из-за того, что в процессе отражения от стенок кристалла в одну сторону свет идет свободно, а в другую с трансформацией.

После 10,000 подобных отражений, что произойдет за каких-то 0.1 наносекунд, свет может измениться в частоте от красного до синего, например, или от видимого света до инфракрасного излучения.

Выход света из кристалла осуществляется путем отладки его структуры так, чтобы он стал прозрачным для какой-то заданной частоты спектра, желаемой для получения на выходе, а с другой стороны - такой же прозрачный для такой же заданной на входе. Таким образом можно регулировать - какие световые волны могут войти в кристалл, а какие выйти. "Это позволит реализовать такие возможности, которые никогда не удавалось сделать прежде", сказал Джоаннополоус.

Обычные цветовые фильтры просто позволяют пропускать желательные частоты спектра и блокируют другие. В результате, большая часть световой энергии гасится.

Потенциальные возможности от применения подобных кристаллов - колоссальны! От появления новых функций в оптоэлектронике и оптических коммуникационных сетях, до производства импульсов радиации терагерцовой мощности, которые благодаря своей легкости смогут заменить рентгеновские установки в медицине и прекратить облучение пациентов радиацией. Пока воплощение подобных приборов ограничивалось громоздкостью и сложностью их конструкции. Но теперь всю эту конструкцию сможет заменить один кристалл.

Среди других сфер применения подобных кристаллов в будущем следует отметить бесконтактные методы передачи энергии с сохранением 100%-ной мощности (т.е. без потерь, что будет даже выгоднее, чем высоковольтные линии электропередач и электрокабели). Для этого будет достаточно посылать световой импульс, который будет преобразовываться на пункте приема в тепловое излучение, а из него в электрическое. Хотя от большинства электростанций можно будет и вообще отказаться, поскольку прямо на месте в любой точке Земли можно будет получить из солнечного света (даже при сплошной облачности) сразу тепловое излучение, которое затем трансформировать в электричество. И лишь в ночное время потребуются иные источники.

Большие перспективы откроются и у боевых лазеров, которые смогут иметь на выходе пучки огромной мощности, при небольшом энергопотреблении, и иметь любую частоту - от инфракрасной, до ультрафиолетовой. Такими лазерами теоретически даже можно будет уничтожать объекты на большом расстоянии от нашей планеты, что решило бы проблему астероидной опасности.

Информация для контакта:

Claire Bowles, claire.bowles@rbi.co.uk, 44-207-331-2751, New Scientist


Dr.BoT© Konspektiruem.ru