СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕТОВОДНЫХ КАНАЛОВ В ЖИДКОЙ СРЕДЕ Российский патент 2010 года по МПК G02B6/122 G02B1/06 

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 σ, 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=2σ/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 β=π/λ, а λ - длина волны светового излучения (500 нм). Так, при β=6π10⁴см^-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, λ=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/σ)^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~10⁶), 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).

Способ может быть использован для изучения свойств жидкости, для обработки и локальной фотополимеризации растворов, а также для передачи информации и энергии в жидкой среде. В способе при получении световодных каналов берут жидкую среду 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. Интенсивность излучения должна быть достаточна для создания на поверхности за счет светового давления цилиндрического фокусирующего зеркала, собирающего введенное в пленку излучение в узкий световодный канал. Технический результат - получение длинных световодных каналов в жидкости при меньшей мощности светового излучения и за более короткое время. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

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.