На семинаре специалистов ФИАН прозвучал авторский доклад главного научного сотрудника Лаборатории фотоники молекул ФИАН д.ф.-м.н. Ю.Ю. Стойлова, углубляющий представления о механизме отражения лазерных треков от прозрачного ребра жидкой пленки и возможностях управления этими треками. Учёный стремится выяснить, в чем причина неожиданного расхождения с законами оптики.

    Среди многих загадок, связанных с лазерными треками, есть одна, относимая к области оптики и квантовой радиофизики, – это отражение лазерного трека в тонкой пленке от зоны утолщения этой плёнки. Пять лет назад проблема странного отражения треков уже освещалась, но с тех пор она не привлекла должного внимания со стороны специалистов. (Это явление было представлено в публикации Ю.Ю. Стойлова).

    Явление описывается следующим образом. Свет, пробегающий в жидкой пленке, встречается с утолщением на входе и на выходе из нее. Прозрачное утолщение в пленке, называемое ребром, можно рассматривать как клин, а поведение света в подобных средах физикам хорошо известно.

 
Рисунок 1. Утолщение плёнки у края

    Поток света, входящий в сходящийся зеркальный клин, увеличивает (если отсчитывать от поверхности) угол своего отражения от поверхностей, доходит до вертикального падения, меняет направление своего движения на обратное и выходит из клина. Из расходящегося клина препятствий для выхода света нет. В водяном клине свет при полном внутреннем отражении смещается вдоль него, но его нормальная составляющая ведет себя так же, как в зеркальном клине.

    На рисунке 2 показан лазерный трек в эксперименте со стеклянной трубочкой диаметром 5 мм, погруженной в пленку с утолщением пленки типа ребра около нее.

Рисунок 2. Лазерный трек – 1; Стеклянная трубочка – 2

    При вводе света через боковое ребро сфокусированный свет лазерной указки до попадания в пленку испытывает в клине ребра многократные отражения от боковых поверхностей. Моды лазерного излучения имеют разные углы, под которыми идет их свет, поэтому в клине они загибаются по-разному и входят в тонкую пленку уже под разными углами.

    В пленке каждая мода образует свой трек, идущий отдельно от других треков. При достижении критической толщины для группы мод серия треков выходит из пленки, как показано на рисунке 3. 

 
Рисунок 3. Типичный вид треков в вертикальной мыльной пленке

   При наличии резкой границы между пленками разной толщины трек при переходе меняет угол. Изменение угла показывает, что эффективный показатель преломления в тонкой пленке для него – меньше, чем в толстой (см. рисунок 4).

    В однородной пленке треки разных мод идут от ребра под разными углами без видимых загибов (рисунок 4), от места ввода треки могут идти в пленке почти параллельного с ребром.

 
Рисунок 4. Верхняя часть пленки тоньше, чем нижняя, треки преломляются

    Таким образом, можно ожидать, что, если обратить идущее излучение в треках, в силу линейности среды, оно должно войти в породившее его ребро. И нет причин, по которым треки, уже идущие по пленке, при любом угле их падения на ребро не могли бы войти в утолщение прозрачного ребра (или в утолщение пленки, создаваемое каплей мыльного раствора, спускающейся по пленке).

    Однако, вопреки таким предположениям и ожиданиям, основанным на оптических законах, треки от утолщения ребра или спускающейся по пленке капли раствора полностью (!) отражаются (см. рисунки 2 и 5).

 
Рисунок 5. Отражение треков от спускающейся по вертикальной пленке капли раствора
(темная зона на снимке)

    Следует отметить, что треки отражаются от границы перехода от тонкого участка пленки к толстому (!), как от зеркала, при углах падения вплоть до 45°! Отражаются так, как если бы в тонкой пленке они шли по стеклу, а толстое ребро было бы для них воздухом. Однако такой разницы показателей преломления на этой границе нет. В пленке показатель преломления скорее может быть чуть меньше, чем в ребре, и, следовательно, полного отражения не должно быть. Однако оно есть!

    При наблюдении трека на рисунке 2 с увеличением, можно видеть, что отражение трека происходит не резко, а постепенно, с некоторым загибом, растянутым в пространстве (рисунок 6).

 
Рисунок 6. Увеличение зоны отражения трека, изображенного на рисунке 2

    В этом и заключена загадка для оптики и квантовой радиофизики. Что это – антимиражный эффект? Ошибка в рассуждениях? Как это согласовать с законами оптики?

    Возможно, непосредственно рядом с ребром, в пленке находится некая область с заметным утолщением, в которой есть обратный (не расходящийся, как в ребре, а сходящийся) клин, и от этого клина падающий на ребро свет трека и отражается. Но такого до сих пор не наблюдалось, и в литературе по пленкам нет упоминаний о наличии таких утолщений у ребра.

    Если бы это было отражение от среды с более высоким показателем преломления, то свет должен был бы в нее частично заходить и частично отражаться, но полного отражения не должно было быть.

    Предлагается следующее нестандартное предположение, требующее анализа и обсуждения со специалистами – гидродинамиками. Когда в пленке формируется световой канал и под действием светового давления начинает возникать утолщение пленки в области трека, то в эту область должна собраться жидкость из прилегающих к треку частей пленки. Если по разные стороны трека пленка имеет разную толщину, то скорость поступления в трек жидкости тоже разная – она больше со стороны более толстой пленки. Можно предположить, что при разных скоростях формирования левой и правой сторон трека он будет иметь тенденцию загибаться в сторону с меньшей скоростью формирования, так как это происходит, например, с поворотом в менее подвижную сторону четырехколесной тележки, у которой трение левых и правых колес неодинаково.

    Как уже отмечалось, управлять треками пока не удается, поскольку треки во всех исследованных средах не реагируют ни на какие внешние действия – ни звук, ни изменение длины волны света, ни большие электрические поля, ни боковое световое облучение пленки не влияют на характер поведения треков. На трек влияет нанесенная на пленку капля, но это грубое механическое воздействие нельзя считать контролируемым управлением трека.

    Поскольку трек реагирует на заметное изменение толщины пленки на своём пути, то можно создавать утолщение с помощью заметного точечного разогрева пленки с помощью другого мощного лазера, но это воздействие требует больших затрат энергии и поэтому с позиции управления не перспективно. Для управления следует искать иной – менее энергоемкий вариант.

     В последнее время внимание исследователей привлекают светочувствительные поверхностно активные вещества – серфоктанты^[3]. Под воздействием света различных длин волн они обратимо меняют структуру своих молекул и, соответственно, на десятки процентов меняют связанное с ними поверхностное натяжение. Эти вещества используются в разных опытах, когда нужно локально, без больших энергетических затрат изменить поверхностное натяжение растворов, не меняя концентрацию серфоктанта в нем^[4].

    Но как это отразится на треке? Если рассмотреть формулу, определяющую ширину трека W₀:

(где β = (π/λ), λ – длина волны лазерного излучения, L – расстояние между жидкими зеркалами в пленке, f – фокальное расстояние зеркал (f = R/2)), то в ней поверхностное натяжение σ определяет величину выпячивания, радиус R утолщения в пленке под действием светового давления p, R = σ/p.

    Излучение трека с требуемой длиной волны само может изменить поверхностное натяжение и радиус утолщения в области трека, но, согласно выше приведённой формуле, это изменение равносильно небольшому изменению мощности лазера, возбуждающего трек, что (из-за корня четвертой степени) вряд ли окажет заметное влияние на ширину трека или его поведение.

    Но если в такой пленке со светочувствительным серфоктантом и установившимся треком подействовать переключающим внешним излучением локально вблизи, но с одной стороны трека, то это должно несимметрично изменить радиус сформированного утолщения и привести к изменению направления трека. При наличии светочувствительных серфоктантов проверка возможности такого управления, степени воздействия и контролируемости треков не потребует больших энергетических затрат и может оказаться перспективной. Кроме того, это дополнительно подтвердит механизм образования трека – того, что трек действительно связан с натяжением и образующимся утолщением в пленке. Интересно, изменит ли наличие такого управляемого серфоктанта характер отмеченного выше отражения треков от утолщений в пленке?

     В связи с темой механизма светового давления представляет интерес появившаяся недавно статья, озаглавленная «Laser optomechanics»^[6], в которой даётся описание результатов экспериментов, проведённых авторами. В этих экспериментах работающее в треках световое давление использовано в полупроводниковом лазере для перестройки длины волны излучения. Лазерное световое давление в специально созданном полупроводниковом устройстве создает вибрацию легкого зеркала резонатора, что вызывает быструю самоперестройку излучения лазера. Экспериментаторы преобразуют световое давление в механическое перемещение и вибрацию зеркала. Для одномодового лазера с мощностью около 2 мВт амплитуда смещения легкого зеркала в вакууме при частоте колебаний 147 кГц у них составляла 550 нм, что позволяло за пару микросекунд перестраивать длину волны излучения лазера на 23 нм.

    Теоретические расчёты механизма вибрации и полученные авторами результаты позволили предсказать возможность широкого применения миниатюрных сканирующих лазеров, см. рисунок 7.

Рисунок 7. Схема полупроводникового лазера с вибрирующим зеркалом
(Источник изображения: [6])

    Для треков, в описанных выше экспериментах, сила «пружинки», удерживающей жидкое зеркало от смещений и деформаций, – заметно больше. Она определяется силой поверхностного натяжения в пленке, поэтому смещение жидкого зеркала при мощности лазерной указки 10 мВт, по оценкам, не превышает нескольких нанометров, но принцип воздействия на зеркала одинаков.

    Поэтому описанные выше треки в пленках можно отнести к общему классу подобных разрабатываемых лазерных оптомеханический устройств.

    По мнению Ю.Ю. Стойлова, «результаты, полученные при изучении лазерных треков, могут оказаться полезными не только для многих прочих областей физики, но и для науки в целом».

В. Жебит, АНИ «ФИАН-информ»

___________________________________
От редакции.

Для более глубокого ознакомления с представленным исследованием предлагаем Вашему вниманию ряд материалов.

1. Ю.Ю. Стойлов «Излучение лазерных треков в тонких пленках и потребность теоретического описания». К публикации прилагаются видеоматериалы (формат *.mpg): 

- Отражение трека от капли;

- Полоски на экране;

- Вид установки

2. А.В. Старцев, Ю.Ю. Стойлов «Симфония оптических треков». К публикации прилагаются видеоматериалы (формат *.wmv): Видео 1 и Видео 2

  3. Eloise Chevallier, Arnaud Saint-Jalmes, Isabelle Cantat, François Lequeux. C´ecile Monteux. “Light induced flows opposing drainage in foams and thin-films using photosurfactants”. Soft Matter, 9, 7054 (2013). ↑

  4. Yuriy Zakrevskyy, Julian Roxlau, Gerald Brezesinski, Nino Lomadze, and Svetlana Santer “Photosensitive surfactants: Micellization and interaction with DNA”, The Journal of Chemical Physics, 140, 044906 (2014). ↑

5. Ю.Ю. Стойлов, «Механизм образования световых каналов в тонких пленках»

  6. Weijian Yang, Stephen Adair Gerke, Kar Wei Ng, Yi Rao, Christopher Chase, Connie J. Chang-Hasnain. “Laser optomechanics”, Nature, Scientific Reports, 5, Article number: 13700 (2015). ↑

7. В.М. Кайтуков. «Эволюция диктата»
8. Ю.Ю. Стойлов «О странном отражении лазерных треков». К публикации прилагается видеоматериал (формат *.mp4): Солярис