Новости науки 03.06.01. Радиально поляризованный свет: новый
инструмент исследований
Рис.1 Схема возникновения продольного электрического поля в
фокусе лазерного луча.
В плоской электромагнитной волне, распространяющейся в вакууме,
электрическое поле всегда перпендикулярно направлению распространения.
Однако строго плоскую волну приготовить невозможно: в реальности
даже лазерный луч представляет собой целый набор совместно распространяющихся
плоских волн, отличающихся направлением движения. В результате можно
создать так называемую радиально поляризованную моду лазерного излучения,
которая будет в фокусе иметь область сильного продольного электрического
поля. Такие моды с продольным полем могут найти самые разнообразные
применения. В частности, в работе [L.Novotny et al, Phys.Rev.Lett.
86, 5251 (2001)] продольное поле предлагается как мощный диагностический
инструмент: с его помощью можно в трехмерии анализировать ориентацию
дипольных молекул.
Рис. 1 иллюстрирует основную идею того, как приготовить необходимую
моду электромагнитной волны. Два когерентных луча, линейно поляризованные
в плоскости рисунка (поляризация показана цветными стрелками), деструктивно
интерферируют. В результате, компонента, поперечная суммарному направлению
распространения, зануляется в области интерференции, и выживает
только продольная составляющая. Более аккуратный анализ показывает
(см. например [K.S.Youngworth and T.G.Brown, Opt.Express 7,
77 (2000)]), что для полного уничтожения поперечной компоненты
в реальных лазерных пучках необходимо использовать не линейную,
а радиально-поляризованную моду.
Рис.2 Структура радиально-поляризованного луча; a) распределение
поперечной компоненты, поляризация показана стрелками; б) распределение
продольной компоненты.
Вспомним, что в линейно-поляризованном луче, как бы симметрично
он ни выглядел, всегда имеется выделенное поперечное направление,
задаваемое вектором электрического поля. В противоположность этому,
радиально-поляризованная мода электромагнитного излучения интересна
тем, что она полностью аксиально-симметрична. На Рис.2а цветом показаны
теоретические расчеты интенсивности поперечной компоненты электрического
поля во фронтальной плоскости, а стрелками направление вектора
поляризации в данной точке. Рис.2б показывает распределение в этой
же плоскости интенсивности продольной компоненты электрического
поля. Видно, что непосредственно на оси пучка поперечная составляющая
строго зануляется (аксиальная симметрия!), и поле становится строго
продольным. Нетрудно понять, что величина продольной компоненты
зависит от углового распределения в луче: чем оно шире, т.е. чем
больше угол между волновыми векторами k1 и k2,
тем сильнее будет продольное поле на оси пучка.
До недавних пор эти интересные моды излучения анализировались лишь
теоретиками. И вот, в недавней работе [L.Novotny et al, Phys.Rev.Lett.
86, 5251 (2001)] продольное поле было впервые наблюдено и изучено
экспериментально. На Рис.3 показано, как в этом эксперименте приготавливался
такой радиально-поляризованный луч. Фундаментальная пространственная
мода лазерного света конвертировалась в две перпендикулярно поляризованных
гауссовых (1,0) моды. Накладываясь, они и давали радиально-поляризованный
свет.
Для изучения распределения продольной и поперечной составляющих
в пространстве, экспериментаторы светили лазерным лучом на тонкую
прозрачную пленку, содержащую флуоресцирующие полимерные молекулы.
Поскольку молекулы имели вытянутую структуру и обладали определенным
дипольным моментом d, интенсивность флуоресценции каждой
молекулы была пропорциональна |d*E|2. То
есть, если мы возьмем пленку с полимерными молекулами, аккуратно
выстроенными вдоль оси луча, мы сможем избирательно чувствовать
продольную компоненту электрического поля.
Рис.3 Методика получения радиально-поляризованного луча из
двух линейно поляризованных (1,0) мод.
Именно таким образом экспериментаторы смогли опытным путем просканировать
луч в фокальной плоскости и получить картину распределения продольного
поля. Результаты вполне согласовались с теоретическими предсказаниями.
Интересно, что задачу можно в некотором смысле обратить. А именно,
теперь с помощью продольного и поперечного поля с известными свойствами
можно выяснить пространственную ориентацию дипольных молекул. И
в самом деле, в пробном опыте ученые изучили пять дипольных молекул,
находящихся в толще пленки и произвольно ориентированных. Освещая
их продольным и поперечным светом и изучая картину флуоресценции,
ученые смогли четко выяснить направление пространственной ориентации
каждой из молекул. Таким образом, они продемонстрировали интересный
и сильный метод исследования отдельных дипольных молекул.
|