СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОВЕРХОСТНЫХ ПОЛЯРИТОНОВ Российский патент 2004 года по МПК G02F1/01 

Изобретение относится к способам получения направленных поверхностных электромагнитных волн (поляритонов), идущих между сред по граничной поверхности (поверхностям).

Известно, что поверхностные электромагнитные волны, или поверхностные поляритоны, - это особый вид макроскопических электромагнитных волн, распространяющихся вдоль поверхностей (границ) раздела сред /1, 2/. Поле таких волн прижимается к поверхности и локализуется в основном в слое, размеры которого с каждой стороны от границы, как правило, порядка длины волны. Такие волны называются поверхностными в отличие от объемных, которые распространяются в объемных средах и не чувствуют существенного влияния их поверхностей.

Условия существования поверхностных поляритонов в случае контакта изотропных сред состоят прежде всего в том, что диэлектрические проницаемости граничных сред должны иметь противоположные знаки, т.е. одна из них должна быть отрицательной. Поверхностные волны - это нерадиационные волны, их нельзя возбуждать прямым образом с помощью световых волн, распространяющихся в одной из двух сред, и их фазовая скорость меньше, чем фазовая скорость света в среде. Поверхностные электромагнитные волны имеют смешанный электромагнитно-механический характер, связанный с поляризационными свойствами граничных поверхностей.

Поверхностные волны представляют собой объекты, крайне интересные в физическом плане, поскольку несут богатую информацию о свойствах этих поверхностей, и в настоящее время большое внимание уделяется их получению и исследованию /1-5/.

Известно несколько способов получения поляритонов на граничных поверхностях металлов, кристаллов, полупроводников, твердотельных многослойных структур /2, с.71/. Это метод внешнего отражения при воздействии лазерным лучом на случайные шероховатости поверхности или на периодически профилированную поверхность, метод нарушенного полного внутреннего отражения через призму с зазором до поверхности образца (геометрия Отто), через призму, на грань которой нанесена тонкая пленка образца (геометрия Кречманна), двухпризменный метод и диафрагменный метод.

Для возбуждения поляритонов используют микроволновое и видимое лазерное излучение. Длины пробега поляритонов имеют обратно-квадратичную зависимость от частоты излучения накачки, и поэтому в видимой области длины пробега поверхностных волн в исследованных образцах пренебрежимо малы (несколько микрон) /1, с.75/. Так в опытах с длиной волны возбуждающего света 632.8 нм по исследованию поляритонов в тонких металлических пленках /5/ (прототип) длина пробега, регистрируемая с помощью ближнепольного оптического микроскопа, не превышает 10 мкм. Поляритоны возбуждались в тонкой серебряной пленке толщиной 60 нм, помещенной у гипотенузы прямоугольной стеклянной призмы и освещаемой через призму сфокусированным пучком поляризованного лазерного излучения мощностью 2.2 мВт.

В жидкостях из-за большого затухания и в газах из-за малой концентрации частиц поляритонное излучение не наблюдается (/2/ с.6 “Можно говорить о поляритонах в случае не только кристаллов, но и жидкостей и даже газов, однако характерные проявления эффектов смешивания с индивидуальными дипольно активными переходами здесь наблюдать сложнее (в жидкостях вследствие большого затухания, в газах - относительно малой концентрации частиц вещества и др.”).

К недостаткам прототипа и других известных способов получения поляритонного излучения относятся ограниченный круг твердотельных активных сред, способных поддерживать поверхностное поляритонное излучение, малая длина пробега получаемого на них поляритонного излучения по поверхности, сложность известных способов его фокусировки или концентрации.

Задачей изобретения является получение поляритонов в новых средах, увеличение длины пробега и концентрации их энергии.

Для решения поставленной задачи, т.е. получения поляритонов с большой длиной пробега, в том числе в видимом диапазоне, предлагается при лазерном возбуждении использовать не однородные твердотельные, а свободные слоистые среды, в которых некоторые слои имеют толщину в одну молекулу, т.е. молекулярно-слоистые среды в виде, например, тонких жидких пленок и нитей толщиной менее 10 мкм, на поверхности (поверхностях) которых находится слой полярных молекул, типа молекул поверхностно активных веществ (ПАВ). Как показывают наши исследования, лазерный свет видимого диапазона (450-700 нм), введенный в такие свободные пленки, приводит к рождению в них поверхностных поляритонов с длиной пробега в десятки сантиметров и высокой концентрацией энергии.

Схема опытов проста. В прозрачном объеме (или на рамке из прозрачного материала) путем выдувания воздухом (или окунания рамки в мыльный раствор) создают обычную плоскую или слегка выпуклую мыльную пленку. Формы прозрачного объема (или рамки) могут быть любыми, но для удобства наблюдений размеры пленки лучше иметь в диапазоне от нескольких сантиметров до десятков сантиметров. Толщина свежеприготовленной мыльной пленки обычно не превышает 10 мкм. Положение плоскости пленки может быть любым: горизонтальным, вертикальным или наклонным, но перед опытом пленку ориентируют в пространстве так, чтобы используемый для возбуждения лазерный луч лежал в плоскости пленки. Через прозрачные стенки объема (или рамки) в пленку через ее край (ребро) направляют и вводят лазерный луч, сфокусированный, например, в фокальное пятно или полоску шириной около 10 мкм. Типичный вид нашей кюветы диаметром 65 мм и длиной 25 мм для лазерного возбуждения и исследования поляритонов в пленках показан на фиг.1. На нем стрелкой показана натянутая посредине между окнами кюветы горизонтальная и блестящая в отраженном свете мыльная пленка. Внизу кюветы видна небольшая порция мыльного раствора, из которого путем выдувания создана мыльная пленка. Лазерный луч гелий-неонового лазера с длиной волны излучения 632,8 нм, лежащий в плоскости пленки, вводят в пленку путем его фокусировки сферической линзой с фокальным расстоянием F=10 см через окно на торец пленки (ребро), находящийся на окне и хорошо видимый через прозрачное окно кюветы. Аналогичные опыты можно проводить и в любых других прозрачных пластиковых или стеклянных бутылках, в которых наливают 20-50 см³ мыльного раствора и взбалтыванием или выдуванием создают крупные мыльные пузыри или отдельные пленки по диаметру бутылок. Опыты можно проводить и с пленками на прозрачных рамках в воздухе, но в этом случае они меньше живут.

От точки ввода лазерного луча по пленке распространяется поляритонное излучение, которое обладает следующими свойствами:

1. Возбуждение проводят лазерным излучением (накачкой) в широком диапазоне частот лучом кадмиевого (441,6 нм), гелий-неонового (632,8 нм), аргонового (488 и 514 нм), полупроводникового (690 нм) лазеров при мощностях их излучения от 1 мВт до 3 Вт и более. Таким образом, спектральный интервал возбуждающих лазеров перекрывает весь видимый диапазон и, судя по предполагаемому механизму воздействия, выходит за его пределы, ограничиваясь, по-видимому, только спектральной полосой прозрачности используемых материалов.

2. Оно возбуждается в пленках при направлении лазерного излучения (прямого без фокусировки или сфокусированного сферической или цилиндрической линзой) в пленку через ее прозрачный край (ребро). Лазерный луч можно вводит в пленку не только через ребро, но и сбоку по воздуху при фокусировке на отдельные пылинки на поверхности под малыми скользящими углами (до 20°) к пленке.

3. Для более эффективного возбуждения поляритонов предпочтительно, чтобы поляризация излучения накачки была перпендикулярная к тонкой пленке, но в некоторых пленках они с не меньшей эффективностью возбуждаются и при горизонтальной поляризации. При самых оптимальных для возбуждения условиях, по нашим оценкам, в пленку входит около 1% падающего излучения накачки, а остальное рассеивается, создавая мешающий наблюдению фон.

4. В тонких пленках (около 0,1-0,01 мкм, т.е. толщиной существенно меньше длины волны возбуждающего лазерного излучения), поверхности которых слабо отражают падающий сбоку видимый свет (в так называемых предчерных и тонких черных пленках), поляритонное излучение возбуждается особенно эффективно. В объеме жидкостей и растворов и на поверхностях жидкостей и растворов с ПАВ поляритонное излучение при таких же условиях лазерного возбуждения не возникает.

5. Возбуждаемое на поверхности пленок поляритонное излучение регистрируется снаружи (глазом или аппаратурой) по рассеянию или вызываемой ими флуоресценции добавленного в раствор красителя. Ранее /1, с.174/ уже отмечалось, что “Рассеяние ППВ (поверхностных поляритонных волн) может также происходить на неоднородностях в объеме образца и на флуктуациях диэлектрической проницаемости. Сама величина интенсивности рассеяния содержит информацию о характеристических размерах шероховатости. В присутствии шероховатости электромагнитное поле поверхностного поляритона, оставаясь в основном локализованном вблизи поверхности, может иметь радиационную компоненту”.

6. В жидких прозрачных пленках поляритоны идут непосредственно от места возбуждения по пленке в разных направлениях и имеют неожиданный для светового луча вид - их энергия самосжимается, концентрируется и идет на большие расстояния (десятки сантиметров) в виде тонких (вплоть до субмикронных), нерасходящихся, весьма ярких лучей практически постоянной интенсивности (усов). На фиг. 2 показан трек поляритонного излучения, идущего от фокальной точки (сфокусированного сферической линзой F=10 см на ребро пленки лазерного луча 632,8 нм, 10 мВт) в тонкой (черной) мыльной пленке длиной 10 см, простоявшей в кювете двое суток. Лазерный луч фокусируется на ребро пленки справа. В пленке трек делится на два пучка очень узких усов практически одинаковой по всей длине интенсивности, которые слегка дрожат, при большой выдержке замываются и поэтому на черно-белом фото выглядят как два трека.

В более толстых (1-10 мкм) пленках треки поляритонное излучение часто изломаны (как молнии) с ответвлениями (как показано на фиг. 3), которые в зависимости от однородности, толщины, состава и состояния пленки могут метаться (десятки раз в секунду резко менять направление своего движения до поворота на 180°), интенсивность своего свечения, преломляться, самопересекаться (как показано на фиг. 4), или сохраняться в виде узкого пучка близко расположенных усов на больших расстояниях (фиг.2). Усы одинаково эффективно идут по прямым и изогнутым (при радиусе кривизны R=1-10 см) пленкам. В толстых пленках (5-10 мкм) образующиеся усы менее яркие и существенно более широкие, чем в тонких пленках. Поляритонное излучение может не иметь ветвлений (как один канал на фиг.2) в так называемых истинно черных пленках толщиной около 0,005 мкм, состоящих только из двух плотно прилегающих друг к другу мономолекулярных слоев ПАВ практически без прослойки раствора между ними. Пленки становятся такими черными на последней стадии своего старения перед их разрывом при отекании из пленок раствора, разделяющего образующие их поверхностные слои молекул ПАВ.

7. Весьма характерно то, что для поляритонов (в отличие от объемного излучения) пленки разной толщины представляют среды с разными показателями преломления. Так, для тонких пленок показатель преломления близок к 1 (лазерный луч накачки, падающий в воздухе под углом на ребро такой пленки, рождает в ней поляритонное излучение, направление пучка которого практически точно совпадает в направлении лазерного луча, т.е. как если бы поляритонное излучение шло не по жидкой пленке, а по воздуху), а в толстых он повышается до 1,25-1,28. На границе контакта пленок разной толщины поляритоны резко преломляются и частично от них отражаются, как показано на вертикальной пленке на фиг.5. На фиг.5 сверху виден характерный след светового трека поляритона, идущего по черной пленки (толщиной меньше 0,06 мкм) и падающего под малым скользящим углом на горизонтальную границу с нижележащей серой (толщиной около 0,06 мкм) пленкой. В серой пленке трек резко преломляется (60° от нормали) и сразу разбивается на десятки параллельно идущих и немного шевелящихся тонких поляритонных усов. Видно, что в серой пленке усы святятся существенно ярче, чем в черной, но из-за шевеления усы на фото замываются в общий параллелограмм шириной около 1 см. Снизу виден также освещаемый этими усами след на дне кюветы под раствором. (Как известно, закон отношения синусов углов падения и преломления выполняется и для поляритонного излучения /2, с.138/). В пленках с плавным изменением толщины усы поляритонов плавно изгибаются. На фиг.6 показан вид усов поляритонного излучения в вертикальной пленке с изменяющейся по высоте толщиной. Видны треки отдельных усов и их загиб в пленке, похожий на движение рассыпающейся водяной струи в воздухе.

Поляритоны особенно эффективно возбуждаются при направлении накачки по пленке (или сбоку по воздуху под скользящим углом не более 20° к пленке) на обычно хорошо видимую в отраженном свете спонтанно возникающую резкую границу между черной и более отражающей предчерной (серой) пленкой (как на фиг.5). Фокусировка накачки выше и ниже этой границы никаких усов в пленке не рождает. В случае, когда вертикальная пленка имеет снизу контакт с раствором, из которого она вытянута, поляритоны в пленке можно возбудить лазерным лучом снизу из раствора, но только тогда, когда он идет в плоскости пленки и падает снизу на границу раствор - пленка под углом около 50-52° (или меньше) от нормали. Образующийся при этом пучок усов поляритонов идет в пленке почти параллельно контактной границе раздела. При углах падения, превышающих этот критический угол, лазерное излучение в пленку из раствора не заходит.

8. При выходе поверхностного излучения (усов) через прозрачные граничные ребра пленок (или в средине пленок на пылинках) в воздух или в раствор тонкие усы поляритонов преломляются, преобразуются и приобретают заметную угловую расходимость, как положено объемному излучению с длиной волы накачки. Они интерферируют и дают линейчатую постоянно мигающую структуру из светлых и темных тонких полос на экране, как показано на фиг.7, расположенном на расстоянии 25 см от пленки. Клеточки на экране по 5 мм. Из-за постоянных перемещений и миганий полосок их видимая глазом ширина примерно на порядок уже, чем на фото.

Яркость световых треков в растворе от вышедших из пленки усов (из-за расходимости) заметно меньше, чем в пленке.

9. При возбуждении одним пучком лазерного излучения, но сразу на двух длинах волн (488 и 514 нм) усы поляритонов, наблюдаемые в прозрачных пленках, одновременно могут иметь разный цвет (синий или зеленый). На фиг.8 показаны поляритонные усы в горизонтальной пленке при возбуждении сфокусированным сферической линзой (F=10 см) излучением аргонового лазера (488 и 514 нм, 3 Вт). В таком потоке пленка живет несколько десятков секунд.

10. Количество одновременно возбуждаемых в пленках треков (мод) поляритонного излучения может достигать многих десятков, как видно на фиг.9, где показано разбиение поляритонного излучения в вертикальной пленке на отдельные треки (моды) пучков усов в кювете длиной 10 см. Накачка проводится справа через ребро пленки сфокусированным сферической линзой (F=10 см) излучением лазера (632,8 нм, 10 мВт). Структура мод, их связь с пленкой и потери могут быть так же разнообразны, как у поверхностных мод, рассчитанных для тонких металлических пленок /6/. При возбуждении поляритонов на одной пленке двумя близко расположенными или пересекающимися лазерными пучками (632,8 нм, по 10 мВт) заметного влияния пересекающихся усов от разных лазеров друг на друга не отмечается.

11. В качестве пленок для получения поляритонов можно использовать мыльные пленки из прозрачного водного раствора практически любого обычного мыла с добавками для прочности и без них, шампуня или ПАВ, практически при любой концентрации, способной образовывать пленки в воздухе. Характер поведения усов, их внешний вид, как и время жизни пленок (от секунд до недель), зависят от вязкости раствора, вида молекул ПАВ, их концентрации и значительно отличается, например, для ПАВ типа додецил сульфата натрия (SDS) и Тритон Х-100. В тонких 3-5 мкм твердотельных пленках слюды, полиэтилена и тефлона при аналогичных условиях лазерного возбуждения поляритонных усов не образуется.

12. В пленках из мутных растворов с большим количеством рассеивающих центров, в объемных растворах которых лазерный луч рассеивается и виден на расстоянии около 1 см, (при условиях возбуждения, одинаковых с пленками из прозрачных растворов) поляритонные усы возникают очень ветвистые, с широкой, как у деревьев, кроной из очень тонких усов.

13. В пленках с поглотителями лазерного света (типа красителей), в объемных растворах которых лазерный луч поглощается на расстоянии около 1 см, поляритонное излучение возбуждается и по мере старения и уменьшения толщины пленок тонкие усы в них распространяются на расстояния в 5-10 раз большие, чем в объеме того же раствора.

14. Окружающая температура мало влияет на характер и поведение усов в пленках, которые наблюдаются при всех комнатных температурах от 0 до 30°С.

15. Скорость метаний усов в пленке резко увеличивается, а длина пробега резко уменьшается, если в окружающем пленку воздухе имеется туман капелек из пересыщенного водяного пара, которые оседают на пленке.

16. Такие же поляритоны, как и в пленках, судя по мерцаниям выходного излучения в широком угле с раствором около 90°, образуются при лазерном облучении с торца тонких жидких нитей (ребер), которые естественно образуются при контакте двух пузырей на стыке трех пленок и обладают волноводными свойствами (фиг.10). Эти нити живут сутками и становятся очень тонкими (50-5 нм) в соседстве с черными пленками.

17. Если на свежеприготовленную вертикальную пленку сбоку под скользящим углом менее 20° направить сфокусированное лазерное излучение с вертикальной (параллельной пленке) поляризацией, то большая часть луча (90-95%) от пленки отражается и малая часть (около 5-10%) проходит через пленку. Треки усов в пленке спонтанно возникают только тогда, когда в области фокусировки на пленке оказывается случайная пылинка. При этом во время существования на пленке поляритонных усов интенсивность света, проходящего через пленку, увеличивается в несколько раз, а его поляризация при этом (в отличие от луча накачки) оказывается перпендикулярной к пленке.

18. Как показывают опыты с механическим прерыванием лазерного луча накачки, время формирования усов в пленках с гелий-неоновым лазером мощностью 5-10 мВт короче 10-4 с.

Перечисленные особенности показывают, что поляритонное излучение в жидких пленках и нитях обладает рядом существенных особенностей, отличающих их как от объемного, так и от известного ранее /1-5/ поляритонного излучения на поверхностях твердых тел.

Теория поляритонов в жидких композиционных молекулярно-слоистых пленках пока не создана, и возможности их получения в таких пленках не обсуждались. Есть основания полагать, что существенную роль в возбуждении таких поляритонов, в самосжатии и концентрации их энергии и формировании узких направленных треков (усов) играют близко расположенные и разделенные раствором мономолекулярные слои ПАВ, представляющие двумерные кристаллы из вертикально ориентированных по отношению к пленке, плотно или не очень плотно упакованных полярных молекул, ограничивающих поверхности пленок. Поляризация и дополнительное взаимодействие этих слоев (типа усиления взаимной поляризации), индуцируемые лазерным излучением, вызывают изменения свойств пленок, образование в пленках поляритонов и концентрацию их энергии в тонких усах. Изменение мощности используемого лазерного излучения накачки более чем в 3000 раз (от 1 мВт до 3 Вт), как видно на фиг.3 и фиг.8, мало сказывается на виде и характере поведения усов в пленках.

Понятно, что при таком механизме воздействия разделяющая монослои ПАВ прослойка может быть не только водой, но и другим растворителем (нами поляритонные усы наблюдались в растворе Тритона Х-405 в керосине), способным создавать пленки с полярными молекулами на поверхности, а также полимерной составляющей в аналогичных по свойствам полимерных пленках и нитях со слоями полярных молекул на их поверхностях.

Постоянные метания тонких усов вызваны мельчайшими неоднородностями среды и потоками в ней, разогревом и влиянием светового давления, сконцентрированного в тонких усах излучения на жидкую, легко деформируемую и подвижную среду с крайне малой массой. Контролировать направление усов можно с помощью изменения направления луча накачки и путем введения в пленку на пути уса (или вплотную над пленкой) контролируемой оптической неоднородности. Менять направление поляритонного излучения из нити можно путем механического изменения ее ориентации.

Пример 1. В кювете диаметром 6 см и длиной 10 см с прозрачными окнами наливают прозрачный (1-10)%-ный раствор соединения Тритон Х-100 в воде и выдуванием или подъемом из раствора рамки создают в ней вертикальную мыльную пленку между окнами. Свежая пленка имеет толщину около 10 мкм, которая по мере отекания раствора уменьшается, что видно в отраженном дневном свете по количеству горизонтальных интерференционных полос на пленке. На боковую поверхность прозрачного ребра (края) пленки, которое находится на внутренней поверхности прозрачного окна кюветы, направляют сфокусированное сферической линзой (F=10 см) излучение He-Ne лазера (632,8 нм, 10 мВт) с поляризацией, перпендикулярной пленке. Угловой настройкой видимого лазерного луча, проводимой с точностью до нескольких градусов, добиваются, чтобы наибольшая часть лазерного излучение попадала на центр ребра и из ребра заходила в пленку. При такой настройке в пленке прямо от фокальной точки возникают нитевидные, ярко светящиеся, подвижные, многосантиметровые световые каналы поляритонного излучения, особенно хорошо видимые через выходное окно кюветы (фиг. 9), со свойствами, описанными выше. Перемещая вертикально по ребру фокальную точку, можно в небольшом угловом интервале менять в пленке направление выходящего из фокальной точки пучка усов.

Практически такой же результат получается при других концентрациях Тритона Х-100 и использовании ровных и изогнутых мыльных пленок из любых других мыльных растворов и других лазеров накачки с мощностями излучения, достаточными для регистрации излучения в пленках (обычно выше 1 мВт).

Пример 2. В кювете диаметром 6 см и длиной 2,5 см с прозрачными окнами наливают (1-10)%-ный раствор соединения Тритон Х-100 в воде и в ней с двух сторон надувают два мыльных пузыря так, что они касаются друг друга и создают на границе контакта из трех пленок (между окнами кюветы) ребро. Несколько таких ребер видно на фиг.1 слева от натянутой посредине кюветы пленки. На прозрачный торец этого нитевидного ребра, которое находится между прозрачных окон кюветы, направляют сфокусированное сферической линзой (F=10 см) излучение He-Ne лазера (632,8 нм, 10 мВт). Проводимой с точностью до нескольких градусов угловой настройкой видимого лазерного луча добиваются, чтобы наибольшая часть лазерного излучения попадала на центр торца ребра и заходила в него. Боковая поверхность ребра при такой настройке начинает ярко светиться, и на выходе из ребра на экране возникают яркое центральное пятно с расходимостью около 0,1 и окружающее его пятнистое мигающее поле с угловой расходимостью около 90°, свидетельствующее о метании траекторий усов в нити и поляритонном характере получаемого в ребре излучения. На фиг.10 показана кювета с нитью (ребром) из мыльного раствора (между трех черных пленок) длиной 2,5 см и вид прошедшего через нее лазерного излучения (632,8 нм, 10 мВт) на экране. Пятнистая область вокруг яркого центрального пятна постоянно мигает как картина полос от поляритонных усов на фиг.7. По мере стекания раствора скорость миганий уменьшается, но вид картины выходного излучения на экране с широким пятнистым полем сохраняется много суток. При этом толщина ребра уменьшается, и при толщине ребра, сравнимой с толщиной черной пленки (в десятки раз меньше длины волны лазерного излучения), поляритонное излучение, направленное под углом к ребру по граничащей с ним черной пленке, от ребра уже не отражается, а переизлучается им в виде конуса лучей и усов в прилегающих пленках.

Практически такой же результат получается при других концентрациях и использовании прямых и изогнутых мыльных нитей (ребер) из любых других мыльных растворов и других лазеров накачки.

Пример 3. Поперек открытого стакана диаметром 6 см натягивают тонкую (меньше 10 мкм) пленку из описанного в http://www.iluvcats.com/buforpe.htmi,

http://pubs.acs. org/cenAvhatstuff/stufT/8117sci3.html,

http://www.prophezine.com/search/database/DailyNews/data/news/10I7272078.story.html

(Science and Technology Wed Mar 27 18:34:38 2002) растворимого в воде мыльного раствора с добавкой особых упрочняющих полимеров (состав раствора засекречен, но он доступен, поскольку широко продается по всему миру в качестве игрушек для детей). На воздухе в течение часа дают ей застыть в прочную полимерную пленку с молекулами мыла на ее поверхностях. Натянутая мыльная пленка после высыхания становится очень прочной и живет месяцами с сохранением застывшей на ней характерной для мыльных пленок интерференционной картиной. На поверхность пленки под скользящим углом не более 20° направляют сфокусированное сферической линзой (F=10 см) излучение He-Ne лазера (632,8 нм, 10 мВт). При такой настройке в пленке прямо от фокальной точки возникают нитевидные, ярко светящиеся, неподвижные, сантиметровые световые каналы поляритонного излучения со свойствами, описанными выше. Перемещая фокальную точку, можно менять в пленке направление выходящего из фокальной точки пучка усов.

Следует отметить, что, несмотря на широкий набор доступных лазеров, мыльных и немыльных, водных и неводных растворов для пленок и на простоту экспериментов, существование поляритонов в молекулярно-структурных пленках в литературе не описано, никак не следует из известных теорий для поляритонного излучения в рассмотренных ранее /1, 2/ твердых средах и не является очевидным следствием известных свойств этих пленок. Таким образом, открыт новый способ получения поверхностных поляритонов с увеличенной концентрацией их энергии (в усах) и многосантиметровой длиной пробега в тонких молекулярно-структурных пленках и нитях, которые являются новой, ранее неизвестной средой для получения поверхностных электромагнитных волн. Отмеченное сосредоточение излучения поляритонов в тонких, не расходящихся усах, идущих по пленкам на десятки сантиметров, является новым, ранее неизвестным физическим явлением, способствующим расширению свойств поверхностных поляритонов и их практическому применению.

Для ясности еще раз кратко перечислим наиболее важные свойства получаемого в пленках поляритонного излучения, отличающие его от объемного.

1. Излучение идет вдоль ровных и изогнутых поверхностей пленок, практически не ослабевая, на большие расстояния (десятки сантиметров).

2. Наиболее яркие треки излучения получается в серых (предчерных) пленках толщиной около 0,06 мкм, где лучевая оптика уже не работает. В толстых пленках 5-10 мкм излучение возбуждается менее эффективно.

3. Поляритонное излучение воспринимает пленки разной толщины как среды с разными показателями преломления. Для тонких пленок показатель преломления близок к 1, для толстых он возрастает до 1,25-1,28. Соответствующая скорость возбуждаемого светового потока меньше скорости света в воздухе, но больше скорости света в растворе. От границ контакта пленок разной толщины (или пленок с объемным раствором) излучение частично отражается. Существует предельный угол (около 50-52°) для входа возбуждающего излучения из раствора в пленку.

4. Наиболее эффективно оно возбуждается лазерным излучением с поляризацией, перпендикулярной пленке через ребро или при освещении сбоку на неровностях пленки (пылинках). Эффективность (яркость) возбуждения резко увеличивается при его направлении по пленке или сбоку по воздуху на спонтанно возникающие границы пленок разной толщины (черной и предчерной) при скользящих углах падения накачки (до 20°). При этом поляризация лазерного луча может быть и параллельной с пленкой. Фокусировка потока накачки выше и ниже этой границы никаких усов в пленке не рождает.

5. Оно не возникает в объеме жидкостей и растворов и на поверхностях жидкостей и мыльных растворов с ПАВ при одинаковых с пленками условиях возбуждения.

6. Оно имеет вид подвижных, крайне тонких (субмикронных), не расходящихся или ветвящихся усов с неожиданно высокой интенсивностью свечения. Пересекаясь, усы не оказывают видимого воздействия друг на друга. При выходе из пленок это излучения становится расходящимся.

Возможные применения

Поверхностные поляритоны могут использоваться в различных прикладных устройствах оптоэлектроники, интегральной оптики и электроники /1-5/. Идущее по поверхности излучение полезно для изучения процессов на границах, поверхностях пленок, дренажа и расслоения раствора в них, старения, изменения состава, толщины мыльных пленок в различных устройства /7/. Как отмечалось в п.15, пленки с поляритонным излучением могут использоваться как чувствительные датчики, например, для контроля наличия мельчайших капелек тумана в окружающем их воздухе. Сжатие и концентрация поляритонного излучения в усах пленок и нитей может быть использована для получения цилиндрических поверхностных поляритонов для ближнепольных сканирующих оптических микроскопов и наблюдения субмикронных пылинок в самих пленках. Возможность управления величиной показателя преломления внешним полем (электрическим, магнитным, звуковым, тепловым и т.д.) открывает перспективы простых пленочных опто-электронных устройств, переключателей, ответвителей, поляризаторов и т.д., возможность реализации устройств типа лазерной “иглы”, оптической турбулентности, исследования связи усов с цилиндрическими поверхностными фонон-поляритонными волнами на монослойной кристаллической решетке молекул ПАВ, изучения взаимодействия поляритонных волн на двух близко расположенных параллельных мыльных пленках, влияния поляритонов на фононные поверхностные волны в пленке. Кроме того, как мы обнаружили, высокая концентрация молекул красителей в тех же пленках, в которых наблюдается образование поляритонного излучения, позволяет одновременно их использовать как активную лазерную среду и при интенсивном возбуждении (532 нм, 10 нс) получать в них перестраиваемую лазерную генерацию на молекулах красителей (как и в лазерах на растворах красителей) и исследовать ее взаимодействие с поверхностным поляритонным излучением.

По существу, в физике поляритонов найдет новый вид поверхностного поляритонного излучения, для которого представленные результаты доказывают три важные ранее неизвестные теоремы существования:

1. Есть среды, в которых это поляритонное излучение существует только в тонких (<10 мкм) пленках и нитях, но не существует на поверхности этих объемных сред.

2. Есть среды, в которых поляритонное излучение видимого диапазона имеет длины пробега десятки сантиметров.

3. Есть среды, в которых поляритонное излучение сжимается, концентрируется и образует самоподдерживающиеся субмикронно тонкие нити (усы).

Ставится практический вопрос о расширении класса таких сред и изготовлении их аналогов на основе специально приготовленных химически и физически прочных субмикронных, например, полимерных пленок, покрытых монослоями молекул с требуемыми поляризационными свойствами.

Литература

1. Поверхностные поляритоны. Электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред./Под ред. В.М.Аграновича, Д.Л.Милла. М: Наука 1985.

2. Н.Л.Дмитрук, В.Г.Литовченко, В.Л.Стрижевский. Поверхностные поляритоны в полупроводниках и диэлектриках Киев: Наукова Думка, 1989.

3. J.С.Weeber and A.Dereux Ch.Girard and G.Colas des Francs J.R.Krenn J.P.Goudonnet "Optical addressing at the subwavelength scale" PHYSICAL REVIEW E NOVEMBER 2000 VOLUME 62, NUMBER 5, p. 7381.

4. H.Ditlbacher, J.R.Krenn, a) G. Schider, A. Leitner and F. R. Aussenegg "Two-dimensional optics with surface plasmon polaritons" APPLIED PHYSICS LETTERS VOLUME 81, NUMBER 10, 2 SEPTEMBER, 2002, р. 1762.

5. J.-C.Weeber, J.R.Krenn, A.Dereux, B.Lamprecht, Y.Lacroute, J.P.Goudonnet, "Near-field observation of surface plasmon polariton propagation on thin metal stripes" PHYSICAL REVIEW B, VOLUME 64, 045411, 2001, р.64 (http://nanooptics.uni-graz. at/ol/papers/PRBO 1 weeber.pdf).

6. US Pat. #6,442,321, Berini, August 27, 2002 "Optical waveguide structures".

7. A.B. Старцев, Ю.Ю. Стойлов Пленочные испаляторы. - Квантовая электроника, 32, №5 (2002), с.463.

Способ получения поверхностных поляритонов включает направление возбуждающего лазерного луча под скользящим углом, не превышающим 20°, на поверхность жидкой или полимерной пленки толщиной менее 10 мкм, поверхности которой покрыты молекулярным слоем полярных молекул, или введение возбуждающего лазерного луча в ребро указанной жидкой или полимерной пленки, или введение возбуждающего лазерного луча в торец жидкой нити, имеющей толщину менее 10 мкм и покрытой слоем полярных молекул. В качестве пленки или нити могут использоваться пленка или нить из водного раствора, покрытые слоем молекул поверхностно активных веществ (ПАВ). Обеспечивается получение поляритонов в новых средах, увеличение длины пробега и концентрации их энергии. 1 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ получения поверхностных поляритонов, отличающийся тем, что возбуждающий лазерный луч направляют под скользящим углом, не превышающим 20°, на поверхность жидкой или полимерной пленки толщиной менее 10 мкм, поверхности которой покрыты молекулярным слоем полярных молекул, или вводят в ребро указанной жидкой или полимерной пленки, или вводят в торец жидкой нити, имеющей толщину менее 10 мкм и покрытой слоем полярных молекул.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют пленку или нить из водного раствора, покрытую слоем молекул поверхностно-активных веществ (ПАВ).