способ получения световодных каналов в жидкой среде

Формула изобретения

1. Способ получения световодных каналов в жидкой среде с помощью светового давления, отличающийся тем, что жидкую среду берут в виде пленки с полным внутренним отражением света, с помощью оптических устройств локально вводят в пленку через ее край или через ее поверхность непрерывное или импульсное световое излучение достаточной интенсивности для создания на поверхности за счет светового давления цилиндрического фокусирующего зеркала, собирающего введенное в пленку излучение в узкий световодный канал.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют жидкую пленку на подложке с показателем преломления меньше, чем у жидкости.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют жидкую пленку на зеркале.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к физике жидких сред, а точнее к оптике жидких сред.

Известно несколько способов получения волноводных каналов в жидкой среде, обязательным условием которых является повышенный показатель преломления жидкости в зоне волноводного канала. Связано это с тем, что для удержания света в канале необходимо, чтобы его центральная часть имела показатель преломления больше (обычно хотя бы на 1%), чем у окружающей среды. Это обеспечивает полное внутреннее отражение от границы канала света, идущего по световоду.

Увеличение показателя преломления в жидкости достигается, например, за счет самофокусировки света высокой интенсивности /1-3/, но на короткое время.

Наиболее близким к заявляемому (прототипом) является способ получения световых каналов в жидкой среде, при котором световые каналы создаются путем механического введения с помощью светового давления струи более плотной жидкости в менее плотную /4/. При этом получаются световые каналы диаметром d около 10 мкм и длиной L=(0.5-1) мм (отношение L/d до 100). Для создания каналов необходимы мощности лазерного излучения более 400 мВт, сфокусированные на площади около 4·10^-8 см² (при интенсивности 1>10 МВт/см² ), а время формирования канала составляет несколько секунд.

Поиски способов получения световодных каналов в жидкости продолжаются, поскольку в ряде случаев желательно более быстро и при меньшей мощности света создавать длинные световоды, пригодные для передачи энергии и информации, светового удержания объектов и обработки жидкости.

Задачей, решаемой изобретением, задается создание способа получения длинных световодных каналов в жидкости при меньшей мощности светового изучения и за более короткое время.

Для решения этой задачи предложено использовать жидкие пленки, например, из воды, глицерина, меда, сахарного сиропа с добавкой поверхностно-активных веществ (ПАВ, для создания из этих жидкостей свободных прямых или изогнутых пленок). При этом окружающая среда всегда имеет показатель преломления меньше, чем у жидкости в пленке (для получения полного внутреннего отражения света в пленке).

Предлагается получать волноводные каналы в таких пленках за счет светового давления вводимого в них постоянного или импульсного излучения, но на новом принципе - без увеличения показателя преломления среды в зоне светового канала.

С помощью подобранных поверхностно-активных веществ из жидкости создают свободную тонкую пленку микронной толщины (обычно 0.25-10 мкм и неограниченных поперечных размеров), локально через ее край (через ребро или под острым углом к поверхности) вводят световое, например, непрерывное, импульсное или импульсно-периодическое лазерное излучение так, что оно идет внутри пленки с полным отражением от ее поверхностей.

Предельный угол полного внутреннего отражения для пленок в воздухе равен примерно 45 градусам. Падающий свет оказывает давление на поверхность жидкости /4/. Давление света

где I - интенсивность света, R₀ - коэффициент отражения, а с - скорость света. Воздействие света изменяет формы поверхностей пленки (как это рассмотрено, например, в /4/ при точечном воздействии интенсивного света на границу жидкостей). Изменению формы поверхности препятствует поверхностное натяжение жидкости , поэтому для увеличения воздействия света иногда выбирают жидкости с малым натяжением. Радиус выпячивания поверхности R при известном давлении p рассчитывается по формуле

Схема выпячивания световодного канала на пленке показана на Фиг.1.

В нашем случае вводимое внутрь пленки излучение выбирают достаточной интенсивности, чтобы оно при отражении от поверхностей пленки своим световым давлением p могло расширить пленку, выпятить ее поверхность (с радиусом кривизны R=2 /p) и превратить отражающую свет ровную поверхность пленки в цилиндрическое зеркало с фокусным расстоянием f=R/2, собирающее после многократных отражений введенный в пленку свет в узкий канал. Минимальный поперечный размер (перетяжка) w₀ образующегося таким образом светового канала определяется фокусным расстоянием f двух созданных на ограничивающих поверхностях пленки цилиндрических зеркал и расстоянием между ними L (толщиной пленки) / 5, с.183/.

где = / , а - длина волны светового излучения (500 нм). Так, при =6 10⁴см^-1, L=1 мкм, f=10 см (R-20 см), имеем w₀=5.6 мкм.

Величина перетяжки w₀ в резонаторе, рассчитанная по формуле (3) при R=5 м, L=10 мкм, =532 нм (w₀=29.1 мкм), показана на Фиг.2, где по горизонтальной оси отложено расстояние между зеркалами, а по вертикальной - размер перетяжки.

Время, требуемое для формирования цилиндрического зеркала и образования светового канала, зависит еще от вязкости используемой жидкости. Без учета нагрева среды это время рассчитывается по гидродинамическим формулам, приведенным в /6/, и для наших жидкостей составляет от долей микросекунды (вода) и десятков миллисекунд (глицерин) до долей секунды (мед).

Собранный в этом канале свет идет по пленке без поперечного расширения (например, Фиг.5), последовательно воздействуя своим давлением на поверхности более удаленных ее участков и формируя на них цилиндрические зеркала.

После формирования канал сохраняется световым давлением все время, пока в пленку входит свет. Длина канала определяется потерями в среде и в прозрачных жидкостях может достигать десятков метров (L/d~10⁶). Нагрев жидкости в канале светом, обычно приводящий к расширению и уменьшению показателя преломления среды, в данном случае не мешает формированию в ней «зеркального» волноводного канала. Плавные вариации, изменения толщины пленки на пути канала и слабый проток жидкости поперек или вдоль канала также не является препятствием для его образования.

Формированию канала способствует эффект резонансного увеличения интенсивности света в пленке. Известно, что в пленке особенно хорошо распространяется свет в характерных для выбранной толщины пленки типах колебаний - модах /5/. При возбуждении светом этих разрешенных мод интенсивность идущего по пленке света резонансным образом увеличивается в число раз, определяемое добротностью резонатора (в десятки и сотни раз), что увеличивает его световое давление (которое при полном отражении от поверхности в два раза больше, чем при полном поглощении) и заметно снижает требования на интенсивность входного светового излучения.

Минимальная интенсивность света I_мин, необходимая для образования канала, определяется пороговой величиной выпячивания поверхности, которая по величине должна превосходить амплитуды а_о обычных капиллярных волн на поверхности жидкости, порождаемых тепловым движением молекул жидкости, а_о ~(kT/ )^0.5 (к - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура жидкости) /7/. Амплитуда таких волн для подавляющего большинства реальных жидкостей при комнатных температурах имеет величину около половины ангстрема, поэтому пороговым для образования трека можно считать выпячивание величиной в один ангстрем. Такое выпячивание на участке пленки поперечным размером 100 мкм соответствует радиусу кривизны R=10 м и в интенсивности излучения I_мин =100 Вт/см². При R=10 м и толщине пленки 1 мкм ширина перетяжки w₀ при этом составляет около 20 мкм. При фокусировке входного излучения в пятно размером 10^-6 см² оцениваемая таким образом пороговая мощность излучения лазера (без учета многократного резонансного увеличения интенсивности света в пленке) составляет I_min=0.1 мВт. При наличии резонансного увеличения интенсивности пороговая мощность излучения меньше в десятки и сотни раз [I_min =(0.001-0.01) мВт].

Управление каналом, смена направления его распространения на каком-нибудь участке пленки, производится путем изменения оптических свойств пленки, например, введением неоднородности, дуновением или путем контролируемого нагрева локального участка пленки на пути канала излучением, поглощаемым жидкостью, например, CO₂ лазера.

Световодный канал по такому принципу можно создавать не только в свободном тонком слое жидкости (пленке), но и в тонком слое жидкости, окруженном другими жидкостями, на подложке с меньшим, чем у жидкости показателем преломления или на поверхности хорошо отражающего зеркала. На подложке (и на зеркале) на свободной поверхности жидкости при этом создается только одно цилиндрическое зеркало, второе зеркало остается плоским, и время создания канала (из-за тормозящего действия подложки на поперечные потоки жидкости при формировании) увеличивается.

Примеp 1. Создают плоскую или выгнутую пленку толщиной 5-10 мкм из раствора ПАВ и воды. В ребро пленки пли на ее поверхность под скользящим углом меньше 5 градусов линзой с F=5 см фокусируют лазерное излучение длины волны 532 нм мощностью 1 мВт. Излучение в пленке воздействует своим давлением на поверхность пленки и образует один или несколько световодных каналов шириной 20-50 мкм, идущих без расходимости по пленке на десятки сантиметров. Вид треков в пленке (пузыре) из раствора ПАВ и воды показан на Фиг.3. Длина световых каналов около 5 см.

Пример 2. Создают пленку толщиной 5-10 мкм из раствора ПАВ и глицерина. В ребро пленки линзой с F=5 см фокусируют лазерное излучение длины волны 532 нм мощностью 1 мВт. Излучение в пленке воздействует своим давлением на поверхность пленки и образует один или несколько световодных каналов шириной 20-50 мкм, идущих без расходимости по пленке на десятки сантиметров. Вид треков в плоской пленке из раствора ПАВ и глицерина показан на Фиг.4. Длина световых каналов около 6 см.

Пример 3. Создают пленку толщиной 5-10 мкм из раствора ПАВ и меда. В ребро пленки линзой с F=5 см фокусируют лазерное излучение длины волны 532 нм мощностью 1 мВт. Излучение в пленке воздействует своим давлением на поверхность пленки и образует один или несколько световодных каналов шириной 20-50 мкм, идущих без расходимости по пленке на десятки сантиметров.

Фотография трека длиной 7 см и шириной 30 мкм в медовой пленке показана на Фиг.5.

Пример 4. Создают пленку толщиной 5-10 мкм из раствора ПАВ и глицерина на поверхности алюминиевого зеркала (R₀ ~100%). В край пленки или на ее поверхность под скользящим углом меньше 5 градусов линзой с F=5 см фокусируют лазерное излучение длины волны 532 нм мощностью 1 мВт. Излучение в пленке воздействует своим давлением на поверхность пленки и образует один или несколько световодных каналов шириной 20-50 мкм, идущих без расходимости по пленке на несколько миллиметров. Вид треков в пленке из глицерина (без ПАВ) на алюминиевом зеркале показан на Фиг.6. Длина световых каналов около 1 мм.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет за доли секунды получать в тонком слое жидкости узкие (микронные) световодные каналы многометровой длины (L/d~10 ⁶), при малых мощностях излучения, превосходящих пороговое значение (доли милливатт).

Возможные применения.

Световодные каналы в жидкой среде могут использоваться для изучения свойств жидкостей при их взаимодействии со светом, для удержания в перекрестии световых каналов объектов под микроскопом в жидкой среде, для обработки и локальной фотополимеризации растворов, диэлектрофореза в них, а также для передачи в жидкой среде информации и энергии.

Литература.

1. Chiao R Y, Garmire Е, Townes С Н. Phys. Rev. Lett. 13 479 (1964).

2. С.А.Ахманов, А.П.Сухорукое, JP. В.Хохлов. УФН, 93, вып.1, с.2 (1967).

3. Poleadian L. et al. Phis. Rev. E 69 016608 (2004).

4. Etienne Brasselet, Re'gis Wunenburger, Jean-Pierre Delville, Phys. Rev. Lett. 101, 014501 (2008) "Liquid Optical Fibers with a Multistable Core Actuated by Light Radiation Pressure".

5. Х.-Г.Унгер. Планарные и волоконные оптические волноводы. М., 1980.

6. Y.Yoshitake, S.Mitani, К.Sakai; К.Takagi. JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 97, 024901 (2005).

7. А.И.Григорьев, C.O.Ширяева, Д.Ф.Белоножко, A.B.Климов. Журнал технической физики, т.74, вып.7, с.140 (2004).