Исследователи из научно-технологического института электроники, механики, термических явлений и оптики округа Франш-Конте, Франция (Femto-ST) в сотрудничестве с коллегами из лаборатории Шарля Фабри (CNRS/Высшая школа Института оптики) совсем недавно обнаружили новый тип рассеяния света в оптических волокнах в 50 раз тоньше человеческого волоса. Данный эффект, сильно зависящий от внешней среды, в которой находится световод, может быть использован для разработки инновационных высокочувствительных датчиков. Работа исследовательского коллектива опубликована в журнале Nature communications от 24 октября 2014 г.
Оптические микроволокна – это кварцевые волокна, вытянутые до толщины в 50 раз меньшей, чем человеческий волос, т.е. с диаметром, приблизительно равным 1 мкм (1/1000 миллиметра), или даже меньшего. Для производства столь тонких структур исследователи из лаборатории Шарля Фабри нагревают и растягивают стандартные волоконные световоды диаметром 125 мкм, используемые для телекоммуникации. Дальнейшие исследования в рамках работы были проведены в институте Femto-ST в Безансоне. Запуская пучок лазерного излучения в кварцевое микроволокно, исследователи впервые зарегистрировали новый тип рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (рассеяние, обусловленное взаимодействием света с акустической волной). В эксперименте наблюдалось рассеяние, включающее поверхностные акустические волны, чего прежде никогда не наблюдалось. Открытие было подтверждено результатами численного моделирования, что и помогло определить физический механизм явления.
Лазерный пучок (длина волны излучения 600 нм), направляемый оптическим микроволокном.
© Thibaut Sylvestre, Institut Femto-ST/CNRS
Поскольку толщина световодов меньше длины волны применявшегося в эксперименте излучения (1.5 мкм, что соответствует инфракрасному диапазону), световой пучок имеет чрезвычайно малый диаметр. При распространении вдоль волокна он заставляет световод испытывать малые вибрации, смещая его на несколько нанометров (одна миллионная миллиметра). Это смещение, в соответствии с вычислениями, порождает акустическую волну, распространяющуюся по поверхности волокна со скоростью 3400 м/с. Акустическая волна, в свою очередь, влияет на распространение света, в частности, отражая часть излучения назад по световоду и изменяя длину волны.
Красный пучок лазера (гелий-неонового) проходит по оптическому микроволокну, измеренный диаметр которого составил 1 мкм. Волокно заключено в герметичную систему, чтобы избежать окисления или разрушения.
© Thibaut Sylvestre, Institut Femto-ST/CNRS
Данное явление не наблюдалось никогда прежде, поскольку оно возникает только при локализации излучения в пучке диаметра, меньшего длины волны излучения. В стандартных волоконных световодах основная доля мощности излучения распространяется по сердцевине с диаметром ~ 10 мкм, и, следовательно, не производит поверхностной акустической волны.
Поскольку акустические волны, создаваемые ограничением пучка излучения, распространяются по поверхности микроволокна, они оказываются чувствительны к изменению внешней среды, в частности, температуре, давлению и составу окружающей световод среды. Это делает возможным создание высокочувствительных и компактных промышленных оптических датчиков. Полученный результат также помогает улучшить понимание фундаментальных механизмов взаимодействия световых и акустических волн на микроскопическом уровне.
Источник: http://www2.cnrs.fr/en/2469.htm