stringtranslate.com

Шепчущая галерея волна

Снимок акустического режима шепчущей галереи, рассчитанный на частоте 69 Гц в закрытом цилиндре воздуха того же диаметра (33,7 м) [1] , что и шепчущая галерея в соборе Святого Павла. Красный и синий представляют более высокое и более низкое давление воздуха соответственно, а искажения в линиях сетки показывают смещения. В случае волн, движущихся в одном направлении вокруг галереи, частицы воздуха движутся по эллиптическим траекториям. [2]

Волны шепчущей галереи , или моды шепчущей галереи , являются типом волны, которая может распространяться по вогнутой поверхности. Первоначально обнаруженные для звуковых волн в шепчущей галерее собора Святого Павла , они могут существовать для света и других волн, с важными приложениями в неразрушающем контроле , лазерной генерации , охлаждении и зондировании , а также в астрономии .

Введение

Волны шепчущей галереи были впервые объяснены для случая собора Святого Павла около 1878 года [3] лордом Рэлеем , который пересмотрел предыдущее заблуждение [4] [5] о том, что шепот можно услышать по всему куполу, но не в любой промежуточной позиции. Он объяснил явление перемещающегося шепота серией зеркально отраженных звуковых лучей, составляющих хорды круглой галереи. Прижимаясь к стенам, звук должен затухать по интенсивности только как обратная величина расстояния — а не как обратный квадрат, как в случае точечного источника звука, излучающего во всех направлениях. Это объясняет, почему шепот слышен по всей галерее.

Рэлей разработал волновые теории для собора Святого Павла в 1910 [6] и 1914 годах. [7] Размещение звуковых волн внутри полости включает физику резонанса , основанную на интерференции волн ; звук может существовать только на определенных высотах, как в случае органных труб . Звук образует узоры, называемые модами , как показано на диаграмме. [1]

Было показано [8] , что многие другие памятники демонстрируют волны шепчущей галереи, например, Гол Гумбаз в Биджапуре и Храм Неба в Пекине.

В строгом определении волн шепчущей галереи они не могут существовать, когда направляющая поверхность становится прямой. [9] Математически это соответствует пределу бесконечного радиуса кривизны. Волны шепчущей галереи направляются эффектом кривизны стенки.

Акустические волны

Волны шепчущей галереи для звука существуют в самых разных системах. Примерами могут служить колебания всей Земли [10] или звезд . [11]

Такие акустические волны шепчущей галереи могут использоваться в неразрушающем контроле в форме волн, которые ползают вокруг отверстий, заполненных жидкостью, [12] , например. Они также были обнаружены в твердых цилиндрах [13] и сферах, [14] с применением в зондировании , и визуализированы в движении на микроскопических дисках. [2] [15]

Волны шепчущей галереи более эффективно направляются в сферах, чем в цилиндрах, поскольку эффекты акустической дифракции (бокового распространения волн) в них полностью компенсируются. [16]

Электромагнитные волны

Оптические моды шепчущей галереи в стеклянной сфере диаметром 300 мкм, экспериментально полученные с помощью флуоресцентной техники. Кончик оптического волокна с косым срезом , видимый справа, возбуждает моды в красной области оптического спектра. [17]

Волны шепчущей галереи существуют для световых волн. [18] [19] [20] Они были получены в микроскопических стеклянных сферах или торах, [21] [22] например, с применением в лазерной генерации , [23] оптомеханическом охлаждении , [24] генерации частотных гребенок [25] и оптическом считывании . [26] Световые волны почти идеально направляются за счет полного внутреннего отражения , что приводит к достижению Q-факторов , превышающих 10 10 . [27] Это намного больше, чем лучшие значения, около 10 4 , которые можно получить аналогичным образом в акустике. [28] Оптические моды в резонаторе шепчущей галереи по своей природе являются потерями из-за механизма, похожего на квантовое туннелирование . В результате свет внутри моды шепчущей галереи испытывает некоторую степень потери излучения даже в теоретически идеальных условиях. Такой канал потерь известен из исследований по теории оптических волноводов и называется затуханием туннельного луча [29] в области волоконной оптики . Фактор Q пропорционален времени затухания волн, которое, в свою очередь, обратно пропорционально как скорости поверхностного рассеяния, так и поглощению волн в среде, составляющей галерею. Волны шепчущей галереи для света были исследованы в хаотических галереях , [30] [31], поперечные сечения которых отклоняются от окружности. И такие волны использовались в приложениях квантовой информации . [32]

Волны шепчущей галереи также были продемонстрированы для других электромагнитных волн , таких как радиоволны , [33] микроволны , [34] терагерцовое излучение , [35] инфракрасное излучение , [36] ультрафиолетовые волны [37] и рентгеновские лучи . [38] Совсем недавно, с быстрым развитием микрофлюидных технологий, появилось много интегрированных датчиков режима шепчущей галереи, объединяющих портативность устройств «лаборатория на чипе» и высокую чувствительность резонаторов режима шепчущей галереи. [39] [40] Возможности эффективной обработки образцов и мультиплексного обнаружения аналита, предлагаемые этими системами, привели ко многим биологическим и химическим приложениям для обнаружения, особенно для обнаружения отдельных частиц или биомолекул. [41] [42]

Другие системы

Волны шепчущей галереи наблюдались в форме волн материи для нейтронов [43] и электронов [44] , и они были предложены в качестве объяснения колебаний одного ядра . [45] Волны шепчущей галереи также наблюдались в колебаниях мыльных пленок, а также в колебаниях тонких пластин [46] Аналоги волн шепчущей галереи существуют также для гравитационных волн на горизонте событий черных дыр . [ 1] Гибрид волн света и электронов , известный как поверхностные плазмоны, был продемонстрирован в форме волн шепчущей галереи [47] и аналогичным образом для экситонов - поляритонов в полупроводниках . [48] Также были созданы галереи, одновременно содержащие как акустические, так и оптические волны шепчущей галереи, [49] демонстрирующие очень сильную связь мод и когерентные эффекты. [50] Также были обнаружены гибридные структуры твердого тела-жидкости-оптической шепчущей галереи. [51]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc Райт, Оливер Б. (2012). «Галерея шепотов». Physics World . 25 (2): 31–36. Bibcode : 2012PhyW...25b..31W. doi : 10.1088/2058-7058/25/02/36.
  2. ^ ab Оливер, Райт Б.; Мацуда, Оливер. «Наблюдение за волнами шепчущей галереи». Лаборатория прикладной физики твердого тела, Университет Хоккайдо . Получено 30 ноября 2018 г.
  3. ^ [Лорд Рэлей, Теория звука, т. II, 1-е издание, (Лондон, Макмиллан), 1878.]
  4. ^ [Дж. Тиндаль, Наука о звуке (Нью-Йорк, Философская библиотека), 1867, стр. 20.]
  5. ^ [GB Airy, О звуке и атмосферных колебаниях, с математическими элементами музыки (Лондон, MacMillan), 1871, стр. 145.]
  6. ^ Рэлей, Лорд (1910). «CXII. Проблема шепчущей галереи». Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал . 20 (120). Informa UK Limited: 1001–1004. doi : 10.1080/14786441008636993. ISSN  1941-5982.
  7. ^ Рэлей, Лорд (1914). "IX. Дальнейшие применения функций Бесселя высокого порядка к Шепчущей галерее и родственным проблемам". Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал . 27 (157). Informa UK Limited: 100–109. doi : 10.1080/14786440108635067. ISSN  1941-5982.
  8. ^ Раман, CV (1921–1922). «XV. О шепчущих галереях». Труды Индийской ассоциации по развитию науки . 7 : 159.
  9. ^ [Л.М. Бреховских, Сов. Физ. Акуст. 13, 462, 1968]
  10. ^ [Количественная сейсмология, К. Аки и П. Г. Ричардс (University Science Books), 2009, Гл. 8]
  11. ^ Риз, DR; МакГрегор, KB; Джексон, S.; Скуманич, A.; Меткалф, TS (1 марта 2009 г.). «Пульсационные режимы в быстро вращающихся звездных моделях на основе метода самосогласованного поля». Астрономия и астрофизика . 506 (1). EDP Sciences: 189–201. arXiv : 0903.4854 . Bibcode : 2009A&A...506..189R. doi : 10.1051/0004-6361/200811510 . ISSN  0004-6361.
  12. ^ Надь, Питер Б.; Блоджетт, Марк; Голис, Мэтью (1994). «Контроль дренажных отверстий с помощью круговых скользящих волн». NDT & E International . 27 (3). Elsevier BV: 131–142. doi :10.1016/0963-8695(94)90604-1. ISSN  0963-8695.
  13. ^ Clorennec, D; Royer, D; Walaszek, H (2002). «Неразрушающая оценка цилиндрических деталей с использованием лазерного ультразвука». Ultrasonics . 40 (1–8). Elsevier BV: 783–789. doi :10.1016/s0041-624x(02)00210-x. ISSN  0041-624X. PMID  12160045.
  14. ^ Исикава, Сатору; Накасо, Норитака; Такеда, Нобуо; Михара, Цуёси; Цукахара, Юсукэ; Яманака, Казуши (2003). «Поверхностные акустические волны на сфере с расходящимися, фокусирующими и коллимирующими пучками, возбуждаемыми встречно-штыревым преобразователем». Applied Physics Letters . 83 (22). AIP Publishing: 4649–4651. Bibcode : 2003ApPhL..83.4649I. doi : 10.1063/1.1631061. ISSN  0003-6951.
  15. ^ Тачизаки, Такехиро; Мацуда, Осаму; Мазнев, Алекс А.; Райт, Оливер Б. (23 апреля 2010 г.). «Акустические моды шепчущей галереи, генерируемые и динамически отображаемые с помощью сверхкоротких оптических импульсов». Physical Review B. 81 ( 16). Американское физическое общество (APS): 165434. Bibcode : 2010PhRvB..81p5434T. doi : 10.1103/physrevb.81.165434. hdl : 2115/43062 . ISSN  1098-0121.
  16. ^ Ishikawa, Satoru; Cho, Hideo; Yamanaka, Kazushi; Nakaso, Noritaka; Tsukahara, Yusuke (30 мая 2001 г.). "Surface Acoustic Waves on a Sphere –Analysis of Propagation Using Laser Ultrasonics–". Японский журнал прикладной физики . 40 (часть 1, № 5B). Японское общество прикладной физики: 3623–3627. Bibcode : 2001JaJAP..40.3623I. doi : 10.1143/jjap.40.3623. ISSN  0021-4922. S2CID  121857533.
  17. ^ "Задержка цепочек коротких световых импульсов в резонаторах WGM". Tech Briefs Media Group . 1 сентября 2018 г. Получено 30 ноября 2018 г.
  18. ^ Ми, Густав (1908). «Beiträge zur Optik trüber Medien, speziell kolloidaler Metallösungen». Аннален дер Физик (на немецком языке). 330 (3). Уайли: 377–445. Бибкод : 1908АнП...330..377М. дои : 10.1002/andp.19083300302 . ISSN  0003-3804.
  19. ^ Дебай, П. (1909). «Der Lichtdruck auf Kugeln von beliebigem Material». Аннален дер Физик (на немецком языке). 335 (11). Уайли: 57–136. Бибкод : 1909АнП...335...57Д. дои : 10.1002/andp.19093351103. hdl : 1908/3003 . ISSN  0003-3804.
  20. ^ Ораевский, Анатолий Н (31 мая 2002 г.). «Волны шепчущей галереи». Квантовая электроника . 32 (5). IOP Publishing: 377–400. doi :10.1070/qe2002v032n05abeh002205. ISSN  1063-7818. S2CID  250792191.
  21. ^ Vahala, KJ (2003). «Оптические микрополости». Nature . 424 (6950): 839–846. Bibcode :2003Natur.424..839V. doi :10.1038/nature01939. PMID  12917698. S2CID  4349700.
  22. ^ Кьясера, А.; Дюмейж, Ю.; Ферон, П.; Феррари, М.; Жестин, Ю.; Нунци Конти, Г.; Пелли, С.; Сория, С.; Ригини, GC (23 апреля 2010 г.). «Сферические микрорезонаторы режима шепчущей галереи». Обзоры лазеров и фотоники . 4 (3). Уайли: 457–482. Бибкод : 2010ЛПРв....4..457С. дои : 10.1002/lpor.200910016. ISSN  1863-8880. S2CID  119484780.
  23. ^ Ракович, YP; Донеган, JF (2 июня 2009 г.). «Фотонные атомы и молекулы». Laser & Photonics Reviews . 4 (2). Wiley: 179–191. doi :10.1002/lpor.200910001. ISSN  1863-8880. S2CID  121561846.
  24. ^ Киппенберг, Т. Дж.; Вахала, К. Дж. (29 августа 2008 г.). «Оптомеханика полостей: обратное действие в мезоскопическом масштабе». Science . 321 (5893). Американская ассоциация содействия развитию науки (AAAS): 1172–1176. Bibcode :2008Sci...321.1172K. doi :10.1126/science.1156032. ISSN  0036-8075. PMID  18755966. S2CID  4620490.
  25. ^ Del'Haye, P. ; Schliesser, A.; Arcizet, O.; Wilken, T.; Holzwarth, R.; Kippenberg, TJ (2007). «Генерация оптической частотной гребенки из монолитного микрорезонатора». Nature . 450 (7173). Springer Science and Business Media LLC: 1214–1217. arXiv : 0708.0611 . Bibcode :2007Natur.450.1214D. doi :10.1038/nature06401. ISSN  0028-0836. PMID  18097405. S2CID  4426096.
  26. ^ Арнольд, С.; Хошсима, М.; Тераока, И.; Холлер, С.; Фоллмер, Ф. (15 февраля 2003 г.). «Сдвиг мод шепчущей галереи в микросферах при адсорбции белка». Optics Letters . 28 (4). Оптическое общество: 272–4. Bibcode : 2003OptL...28..272A. doi : 10.1364/ol.28.000272. ISSN  0146-9592. PMID  12653369.
  27. ^ Грудинин, Иван С.; Ильченко, Владимир С.; Малеки, Люте (8 декабря 2006 г.). "Сверхвысокие оптические добротности кристаллических резонаторов в линейном режиме". Physical Review A. 74 ( 6). Американское физическое общество (APS): 063806. Bibcode : 2006PhRvA..74f3806G. doi : 10.1103/physreva.74.063806. ISSN  1050-2947.
  28. ^ Яманака, К.; Ишикава, С.; Накасо, Н.; Такеда, Н.; Сим, Донг Юн; и др. (2006). «Сверхмножественные круговые обходы поверхностной акустической волны на сфере, реализующие инновации в области газовых датчиков». Труды IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрикам и управлению частотой . 53 (4): 793–801. doi :10.1109/TUFFC.2006.1621507. PMID  16615584. S2CID  22051539.
  29. ^ Pask, Colin (1 декабря 1977 г.). "Обобщенные параметры затухания туннельного луча в оптических волокнах". Журнал Оптического общества Америки . 68 (1). Оптическое общество: 110. doi :10.1364/josa.68.000110. ISSN  0030-3941.
  30. ^ Gmachl, C. (5 июня 1998 г.). "Мощное направленное излучение микролазеров с хаотическими резонаторами". Science . 280 (5369): 1556–1564. arXiv : cond-mat/9806183 . Bibcode :1998Sci...280.1556G. doi :10.1126/science.280.5369.1556. ISSN  0036-8075. PMID  9616111. S2CID  502055.
  31. ^ Барышников, Юлий; Хайдер, Паскаль; Парц, Вольфганг; Жарницкий, Вадим (22 сентября 2004 г.). «Whispering Gallery Modes Inside Asymmetric Resonant Cavities». Physical Review Letters . 93 (13). Американское физическое общество (APS): 133902. Bibcode : 2004PhRvL..93m3902B. doi : 10.1103/physrevlett.93.133902. ISSN  0031-9007. PMID  15524720.
  32. ^ Танака, Акира; Асаи, Такеши; Тоубару, Киёта; Такашима, Хидеаки; Фудзивара, Масадзуми; Окамото, Рё; Такеучи, Шигеки (24 января 2011 г.). «Спектры фазового сдвига системы волокно–микросфера на уровне одного фотона». Optics Express . 19 (3). The Optical Society: 2278–85. arXiv : 1101.5198 . Bibcode : 2011OExpr..19.2278T. doi : 10.1364/oe.19.002278. ISSN  1094-4087. PMID  21369045. S2CID  31604481.
  33. ^ Бадден, К. Г.; Мартин, Х. Г. (6 февраля 1962 г.). «Ионосфера как шепчущая галерея». Труды Лондонского королевского общества. Серия A. Математические и физические науки . 265 (1323). Королевское общество: 554–569. Bibcode : 1962RSPSA.265..554B. doi : 10.1098/rspa.1962.0042. ISSN  2053-9169. S2CID  120311101.
  34. ^ Stanwix, PL; et al. (2005). "Test of Lorentz Invariance in Electrodynamics Using Rotating Cryogenic Sapphire Microwave Oscillators". Physical Review Letters . 95 (4): 040404. arXiv : hep-ph/0506074 . Bibcode : 2005PhRvL..95d0404S. doi : 10.1103/PhysRevLett.95.040404. PMID  16090785. S2CID  14255475.
  35. ^ Мендис, Р.; Миттлман, М. (2010). «Распространение терагерцового импульса в режиме шепчущей галереи на изогнутой металлической пластине». Applied Physics Letters . 97 (3): 031106. Bibcode : 2010ApPhL..97c1106M. doi : 10.1063/1.3466909.
  36. ^ Альберт, Ф.; Браун, Т.; Хайндель, Т.; Шнайдер, К.; Рейтценштайн, С.; Хёфлинг, С.; Воршех, Л.; Форхель, А. (6 сентября 2010 г.). "Газирование в режиме шепчущей галереи в микростолбиках с квантовыми точками с электрическим приводом". Applied Physics Letters . 97 (10). AIP Publishing: 101108. Bibcode : 2010ApPhL..97j1108A. doi : 10.1063/1.3488807. ISSN  0003-6951.
  37. ^ Хён, Дж. К.; Куйярд, М.; Раджендран, П.; Лидделл, К. Мюллер, Д. А. (15 декабря 2008 г.). «Измерение мод шепчущей галереи в дальнем ультрафиолете с помощью электронов высокой энергии». Applied Physics Letters . 93 (24). AIP Publishing: 243106. Bibcode : 2008ApPhL..93x3106H. doi : 10.1063/1.3046731. ISSN  0003-6951.
  38. ^ Лю, Чиен; Головченко, Джене А. (4 августа 1997 г.). "Поверхностно захваченные рентгеновские лучи: режимы шепчущей галереи при λ=0,7Å". Physical Review Letters . 79 (5). Американское физическое общество (APS): 788–791. Bibcode : 1997PhRvL..79..788L. doi : 10.1103/physrevlett.79.788. ISSN  0031-9007. S2CID  121253766.
  39. ^ MR Foreman (2015). «Датчики режима шепчущей галереи». Advances in Optics and Photonics . 7 (2): 168–240. Bibcode :2015AdOP....7..168F. doi :10.1364/AOP.7.000168. PMC 4786191. PMID  26973759 . 
  40. ^ Y. Wang (2020). «Микрожидкостные оптические датчики с режимом шепчущей галереи для биологических приложений». Laser & Photonics Reviews . 14 (12): 2000135–56. Bibcode : 2020LPRv...1400135W. doi : 10.1002/lpor.202000135. S2CID  228850737.
  41. ^ T. Reynolds (2017). «Флуоресцентные и лазерные микрорезонаторы с режимом шепчущей галереи для сенсорных приложений». Laser & Photonics Reviews . 11 (2): 1600265–76. Bibcode : 2017LPRv...1100265R. doi : 10.1002/lpor.201600265. hdl : 2027.42/136528 . S2CID  125481589.
  42. ^ A. Bozzola (2017). «Гибридные плазмонно-фотонные резонаторы с режимом шепчущей галереи для зондирования: критический обзор». Analyst . 142 (6): 883–898. Bibcode :2017Ana...142..883B. doi : 10.1039/C6AN02693A . PMID  28225100.
  43. ^ Несвижевский, Валерий В.; Воронин, Алексей Ю.; Кубитт, Роберт; Протасов, Константин В. (13 декабря 2009 г.). «Neutron whispering gallery». Nature Physics . 6 (2). Springer Science and Business Media LLC: 114–117. doi : 10.1038/nphys1478 . ISSN  1745-2473.
  44. ^ Рехт, Гаэль; Булу, Эрве; Шерер, Фабрис; Спайссер, Вирджиния; Каррьер, Бернар; Матеве, Фабрис; Шулль, Гийом (29 января 2013 г.). «Олиготиофеновые нанокольца как электронные резонаторы для режимов шепчущей галереи». Письма о физических отзывах . 110 (5). Американское физическое общество (APS): 056802. arXiv : 1301.4860 . Бибкод : 2013PhRvL.110e6802R. doi : 10.1103/physrevlett.110.056802. ISSN  0031-9007. PMID  23414040. S2CID  40257448.
  45. ^ Драгун, Ольга; Юбералл, Герберт (1980). «Ядерные волны Рэлея и волны шепчущей галереи, возбуждаемые при столкновениях тяжелых ионов». Physics Letters B. 94 ( 1). Elsevier BV: 24–27. Bibcode : 1980PhLB...94...24D. doi : 10.1016/0370-2693(80)90816-3. ISSN  0370-2693.
  46. ^ Аркос, Э.; Баез, Г.; Куатлайол, Пенсильвания; Приан, MLH; Мендес-Санчес, РА; Эрнандес-Салданья, Х. (1998). «Вибрирующие мыльные пленки: аналог квантового хаоса на бильярде». Американский журнал физики . 66 (7). Американская ассоциация учителей физики (AAPT): 601–607. arXiv : чао-дин/9903002 . Бибкод : 1998AmJPh..66..601A. дои : 10.1119/1.18913. ISSN  0002-9505. S2CID  52106857.
  47. ^ Мин, Бумки; Остби, Эрик; Зоргер, Фолькер; Улин-Авила, Эрик; Янг, Лан; Чжан, Сян; Вахала, Керри (2009). «Высокодобротная микрорезонаторная поверхностная плазмонно-поляритонная шепчущая галерея». Nature . 457 (7228). Springer Science and Business Media LLC: 455–458. Bibcode :2009Natur.457..455M. doi :10.1038/nature07627. ISSN  0028-0836. PMID  19158793. S2CID  4411541.
  48. ^ Sun, Liaoxin; Chen, Zhanghai; Ren, Qijun; Yu, Ke; Bai, Lihui; Zhou, Weihang; Xiong, Hui; Zhu, ZQ; Shen, Xuechu (16 апреля 2008 г.). "Прямое наблюдение поляритонов шепчущей галереи и их дисперсия в конической микрополости ZnO". Physical Review Letters . 100 (15): 156403. arXiv : 0710.5334 . Bibcode : 2008PhRvL.100o6403S. doi : 10.1103/physrevlett.100.156403. ISSN  0031-9007. PMID  18518134. S2CID  28537857.
  49. ^ Томс, Мэтью; Кармон, Тал (19 марта 2009 г.). "Фотонные микроэлектромеханические системы, вибрирующие на частотах X-диапазона (11 ГГц)". Physical Review Letters . 102 (11). Американское физическое общество (APS): 113601. Bibcode : 2009PhRvL.102k3601T. doi : 10.1103/physrevlett.102.113601. ISSN  0031-9007. PMID  19392199.
  50. ^ Ким, ДжунХван; Кузык, Марк К.; Хан, Кевен; Ван, Хайлин; Бахл, Гаурав (26 января 2015 г.). «Невзаимное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна, индуцированное прозрачностью». Nature Physics . 11 (3). Springer Science and Business Media LLC: 275–280. arXiv : 1408.1739 . Bibcode :2015NatPh..11..275K. doi :10.1038/nphys3236. ISSN  1745-2473. S2CID  119173646.
  51. ^ Бахл, Гаурав; Ким, Кю Хён; Ли, Вонсук; Лю, Цзин; Фань, Сюйдун; Кармон, Таль (7 июня 2013 г.). «Оптикомеханика резонаторов Бриллюэна с микрофлюидными устройствами». Nature Communications . 4 (1). Springer Science and Business Media LLC: 1994. arXiv : 1302.1949 . Bibcode : 2013NatCo...4.1994B. doi : 10.1038/ncomms2994 . ISSN  2041-1723. PMID  23744103.

Внешние ссылки