Волна шепчущей галереи - Википедия - Whispering-gallery wave

Волны шепчущей галереи, или же режимы шепчущей галереи, представляют собой тип волны, которая может перемещаться по вогнутой поверхности. Первоначально обнаружен для звук волны в шепчущая галерея из Собор Святого Павла, они могут существовать свет и для других волн, с важными приложениями в неразрушающий контроль, генерация, охлаждение и зондирование, а также в астрономия.

Вступление

Снимок акустической моды шепчущей галереи, рассчитанный на частоте 69 Гц в замкнутом цилиндре воздуха того же диаметра (33,7 м)[1] как галерея шепота в соборе Святого Павла. Красный и синий представляют собой более высокое и более низкое давление воздуха соответственно, а искажения на линиях сетки показывают смещения. В случае одностороннего движения по галерее частицы воздуха движутся по эллиптическим траекториям.[2]

Волны шепчущей галереи были впервые объяснены для случая Собор Святого Павла около 1878 г.[3] к Лорд Рэйли, который исправил предыдущее заблуждение[4][5] который шепчет можно было услышать через купол, но не в каком-либо промежуточном положении. Он объяснил феномен путешествующего шепота серией зеркально отраженных звук лучи, составляющие аккорды круговой галереи. Цепляясь за стены, звук должен затухать по интенсивности только пропорционально расстоянию, а не обратный квадрат как в случае точечного источника звука, излучающего во всех направлениях. Этим объясняется шепот, который слышен по всей галерее.

Рэлей разработал волновые теории для церкви Святого Павла в 1910 году.[6] и 1914 г.[7] Размещение звуковых волн внутри полости включает в себя физику резонанс на основе волны вмешательство; звук может существовать только на определенных высотах, как в случае органные трубы. Звук образует паттерны, называемые режимы, как показано на схеме.[1]

Было показано много других памятников.[8] показать волны шепчущей галереи, такие как Гол Гумбаз в Биджапуре и Храм Неба в Пекине.

Согласно строгому определению волн шепчущей галереи, они не могут существовать, когда направляющая поверхность становится прямой.[9] Математически это соответствует пределу бесконечного радиуса кривизны. Волны Шепчущей галереи управляются эффектом кривизны стены.

Акустические волны

Волны шепчущей галереи для звука существуют в самых разных системах. Примеры включают колебания всего земной шар[10] или же звезды.[11]

Такие акустические волны шепчущей галереи можно использовать в неразрушающий контроль в виде волн, которые ползут вокруг отверстий, заполненных жидкостью,[12] Например. Они также были обнаружены в твердых цилиндрах.[13] и сферы,[14] с приложениями в зондирование, и визуализируется в движении на микроскопических дисках.[2][15]

Волны шепчущей галереи более эффективно направляются в сферах, чем в цилиндрах, потому что эффекты акустического дифракция (распространение боковых волн) полностью компенсируются.[16]

Электромагнитные волны

Оптические моды шепчущей галереи в стеклянной сфере диаметром 300 мкм, полученные экспериментально с помощью флуоресценция техника. Наконечник угловой резки оптоволокно, видимый справа, возбуждает моды в красной области оптического спектра.[17]

Для световых волн существуют волны шепчущей галереи.[18][19][20] Они были изготовлены в виде микроскопических стеклянных сфер или торов,[21][22] например, с приложениями в генерация,[23] оптомеханический охлаждение,[24] частотная гребенка поколение[25] и зондирование.[26] Световые волны почти идеально направляются оптическим полное внутреннее отражение, что приводит к Q-факторы более 1010 достигается.[27] Это намного больше, чем лучшие значения, около 104, что аналогично можно получить в акустике.[28] Оптические моды в резонаторе шепчущей галереи по своей природе имеют потери из-за механизма, подобного механизму квантовое туннелирование. В результате свет внутри режима шепчущей галереи испытывает некоторую потерю излучения даже в теоретически идеальных условиях. Такой канал потерь был известен из исследований оптический волновод теории и называется затуханием туннельных лучей[29] в области волоконная оптика. Фактор добротности пропорционален времени затухания волн, которое, в свою очередь, обратно пропорционально скорости рассеяния на поверхности и поглощению волн в среде, составляющей галерею. Волны шепчущей галереи для света были исследованы в хаотичные галереи,[30][31] сечения которых отклоняются от окружности. И такие волны использовались в квантовая информация Приложения.[32]

Волны шепчущей галереи были продемонстрированы и для других электромагнитные волны Такие как радиоволны,[33] микроволны,[34] терагерцовое излучение,[35] инфракрасная радиация,[36] ультрафиолетовые волны[37] и рентгеновские лучи.[38]

Другие системы

Волны Шепчущей галереи были замечены в виде волны материи за нейтроны,[39] и электроны,[40] и они были предложены в качестве объяснения вибраций одного ядро.[41] Волны шепчущей галереи наблюдались также при колебаниях мыльных пленок, а также при колебаниях тонких пластин. [42] Аналогии с волнами шепчущей галереи существуют и для гравитационные волны на горизонт событий из черные дыры.[1] Гибрид световых волн и электроны известный как поверхностные плазмоны была продемонстрирована в виде волн шепчущей галереи,[43] и аналогично для экситон -поляритоны в полупроводники.[44] Также были созданы галереи, содержащие одновременно акустические и оптические волны шепчущей галереи.[45] демонстрируя очень сильную связь мод и когерентные эффекты.[46] Также наблюдались гибридные структуры типа "шепчущая галерея" твердое тело-жидкость-оптика.[47]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c Райт, Оливер Б. (2012). «Галерея шепотов». Мир физики. 25 (2): 31–36. Bibcode:2012PhyW ... 25b..31W. Дои:10.1088/2058-7058/25/02/36.
  2. ^ а б Оливер, Райт Б .; Мацуда, Оливер. "Наблюдая за волнами шепчущей галереи". Лаборатория прикладной физики твердого тела, Университет Хоккайдо. Получено 2018-11-30.
  3. ^ [Лорд Рэйли, Теория звука, т. II, 1-е издание, (Лондон, Макмиллан), 1878 г.]
  4. ^ [Дж. Тиндаль, Наука о звуке (Нью-Йорк, Философская библиотека), 1867, стр. 20.]
  5. ^ [ГРАММ. Б. Эйри, «О звуках и атмосферных колебаниях с математическими элементами музыки» (Лондон, Макмиллан), 1871 г., с. 145.]
  6. ^ Рэйли, лорд (1910). «CXII. Проблема шепчущей галереи». Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал. Informa UK Limited. 20 (120): 1001–1004. Дои:10.1080/14786441008636993. ISSN  1941-5982.
  7. ^ Рэйли, лорд (1914). «IX. Дальнейшее применение функций Бесселя высокого порядка к Галерее Шепота и родственным проблемам». Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал. Informa UK Limited. 27 (157): 100–109. Дои:10.1080/14786440108635067. ISSN  1941-5982.
  8. ^ Раман, К.В. (1921–1922). "XV. О шепчущих галереях". Труды Индийской ассоциации развития науки. 7: 159.
  9. ^ [Л. М. Бреховских, Сов. Phys. Акуст. 13, 462, 1968]
  10. ^ [Количественная сейсмология, К. Аки и П. Г. Ричардс (University Science Books), 2009, гл. 8]
  11. ^ Reese, D. R .; MacGregor, K. B .; Jackson, S .; Скуманич, А .; Меткалф, Т. С. (1 марта 2009 г.). «Режимы пульсации в моделях быстро вращающихся звезд на основе метода самосогласованного поля». Астрономия и астрофизика. EDP ​​Sciences. 506 (1): 189–201. arXiv:0903.4854. Bibcode:2009A&A ... 506..189R. Дои:10.1051/0004-6361/200811510. ISSN  0004-6361.
  12. ^ Надь, Питер Б .; Блоджетт, Марк; Голис, Мэтью (1994). «Контроль дренажных отверстий по периферийным бегущим волнам». NDT & E International. Elsevier BV. 27 (3): 131–142. Дои:10.1016/0963-8695(94)90604-1. ISSN  0963-8695.
  13. ^ Clorennec, D; Ройер, Д; Валашек, Х (2002). «Неразрушающий контроль цилиндрических деталей с помощью лазерного ультразвука». Ультразвук. Elsevier BV. 40 (1–8): 783–789. Дои:10.1016 / s0041-624x (02) 00210-x. ISSN  0041-624X. PMID  12160045.
  14. ^ Исикава, Сатору; Накасо, Норитака; Такеда, Нобуо; Михара, Цуёси; Цукахара, Юске; Яманака, Казуши (2003). «Поверхностные акустические волны на сфере с расходящимися, фокусирующими и коллимирующими формами пучка, возбуждаемыми встречно-штыревым преобразователем». Письма по прикладной физике. Издательство AIP. 83 (22): 4649–4651. Bibcode:2003АпФЛ..83.4649И. Дои:10.1063/1.1631061. ISSN  0003-6951.
  15. ^ Тачизаки, Такехиро; Мацуда, Осаму; Мазнев, Алексей А .; Райт, Оливер Б. (23 апреля 2010 г.). «Акустические моды шепчущей галереи, генерируемые и динамически отображаемые с помощью ультракоротких оптических импульсов». Физический обзор B. Американское физическое общество (APS). 81 (16): 165434. Bibcode:2010PhRvB..81p5434T. Дои:10.1103 / Physrevb.81.165434. HDL:2115/43062. ISSN  1098-0121.
  16. ^ Исикава, Сатору; Чо, Хидео; Яманака, Казуши; Накасо, Норитака; Цукахара, Юске (30 мая 2001 г.). «Поверхностные акустические волны на сфере - анализ распространения с помощью лазерного ультразвука -». Японский журнал прикладной физики. Японское общество прикладной физики. 40 (Часть 1, № 5Б): 3623–3627. Bibcode:2001JaJAP..40.3623I. Дои:10.1143 / jjap.40.3623. ISSN  0021-4922.
  17. ^ «Задержка цепей коротких световых импульсов в резонаторах WGM». Tech Briefs Media Group. 1 сентября 2018 г.. Получено 2018-11-30.
  18. ^ Ми, Густав (1908). "Beiträge zur Optik trüber Medien, speziell kolloidaler Metallösungen". Annalen der Physik (на немецком). Вайли. 330 (3): 377–445. Bibcode:1908АнП ... 330..377М. Дои:10.1002 / andp.19083300302. ISSN  0003-3804.
  19. ^ Дебай, П. (1909). "Der Lichtdruck auf Kugeln von trustbigem Material". Annalen der Physik (на немецком). Вайли. 335 (11): 57–136. Bibcode:1909AnP ... 335 ... 57D. Дои:10.1002 / andp.19093351103. HDL:1908/3003. ISSN  0003-3804.
  20. ^ Ораевский, Анатолий Н (31 мая 2002 г.). "Шепчущие волны". Квантовая электроника. IOP Publishing. 32 (5): 377–400. Дои:10.1070 / qe2002v032n05abeh002205. ISSN  1063-7818.
  21. ^ Вахала, К. Дж. (2003). «Оптические микрополости». Природа. 424 (6950): 839–846. Bibcode:2003Натура.424..839В. Дои:10.1038 / природа01939. PMID  12917698. S2CID  4349700.
  22. ^ Chiasera, A .; Dumeige, Y .; Féron, P .; Феррари, М .; Jestin, Y .; Nunzi Conti, G .; Pelli, S .; Soria, S .; Ригини, Г. (23 апреля 2010 г.). "Сферические микрорезонаторы типа шепчущей галереи". Обзоры лазеров и фотоники. Вайли. 4 (3): 457–482. Bibcode:2010ЛПРв .... 4..457С. Дои:10.1002 / lpor.200910016. ISSN  1863-8880.
  23. ^ Ракович Ю.П .; Донеган, Дж. Ф. (2 июня 2009 г.). «Фотонные атомы и молекулы». Обзоры лазеров и фотоники. Вайли. 4 (2): 179–191. Дои:10.1002 / lpor.200910001. ISSN  1863-8880.
  24. ^ Kippenberg, T. J .; Вахала, К. Дж. (29 августа 2008 г.). "Полостная оптомеханика: обратное действие на мезомасштабе". Наука. Американская ассоциация развития науки (AAAS). 321 (5893): 1172–1176. Bibcode:2008Научный ... 321,1172K. Дои:10.1126 / science.1156032. ISSN  0036-8075. PMID  18755966. S2CID  4620490.
  25. ^ Del’Haye, P .; Schliesser, A .; Arcizet, O .; Wilken, T .; Holzwarth, R .; Киппенберг, Т. Дж. (2007). «Генерация оптической частотной гребенки из монолитного микрорезонатора». Природа. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 450 (7173): 1214–1217. arXiv:0708.0611. Bibcode:2007Натура.450.1214D. Дои:10.1038 / природа06401. ISSN  0028-0836. PMID  18097405. S2CID  4426096.
  26. ^ Arnold, S .; Хошсима, М .; Тераока, I .; Холлер, С .; Фоллмер, Ф. (15 февраля 2003 г.). «Смещение режимов шепчущей галереи в микросферах путем адсорбции белка». Письма об оптике. Оптическое общество. 28 (4): 272–4. Bibcode:2003OptL ... 28..272A. Дои:10.1364 / ol.28.000272. ISSN  0146-9592. PMID  12653369.
  27. ^ Грудинин, Иван С .; Ильченко, Владимир С .; Малеки, Лютня (8 декабря 2006 г.). «Сверхвысокая оптическая добротность кристаллических резонаторов в линейном режиме». Физический обзор A. Американское физическое общество (APS). 74 (6): 063806. Bibcode:2006PhRvA..74f3806G. Дои:10.1103 / Physreva.74.063806. ISSN  1050-2947.
  28. ^ Яманака, К .; Ishikawa, S .; Nakaso, N .; Takeda, N .; Сим, Донг Юн; и другие. (2006). «Ультра-кратные обходы поверхностной акустической волны на сфере, реализующие инновацию газовых датчиков». IEEE Transactions Ультразвук, сегнетоэлектрики и контроль частоты. 53 (4): 793–801. Дои:10.1109 / TUFFC.2006.1621507. PMID  16615584. S2CID  22051539.
  29. ^ Паск, Колин (1 декабря 1977 г.). «Обобщенные параметры туннельного затухания лучей в оптических волокнах». Журнал Оптического общества Америки. Оптическое общество. 68 (1): 110. Дои:10.1364 / josa.68.000110. ISSN  0030-3941.
  30. ^ Гмахль, К. (5 июня 1998 г.). «Направленное излучение большой мощности от микролазеров с хаотическими резонаторами». Наука. 280 (5369): 1556–1564. arXiv:cond-mat / 9806183. Bibcode:1998Sci ... 280.1556G. Дои: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.). "Режимы шепчущей галереи в асимметричных резонансных полостях". Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 93 (13): 133902. Bibcode:2004ПхРвЛ..93м3902Б. Дои:10.1103 / Physrevlett.93.133902. ISSN  0031-9007. PMID  15524720.
  32. ^ Танака, Акира; Асаи, Такеши; Тубару, Киёта; Такашима, Хидеаки; Фудзивара, Масадзуми; Окамото, Ре; Такеучи, Сигеки (24 января 2011 г.). «Спектры фазового сдвига системы волокно – микросфера на однофотонном уровне». Оптика Экспресс. Оптическое общество. 19 (3): 2278–85. arXiv:1101.5198. Bibcode:2011OExpr..19.2278T. Дои:10.1364 / oe.19.002278. ISSN  1094-4087. PMID  21369045. S2CID  31604481.
  33. ^ Budden, K. G .; Мартин, Х. Г. (6 февраля 1962 г.). «Ионосфера как шепчущая галерея». Труды Лондонского королевского общества. Серия А. Математические и физические науки.. Королевское общество. 265 (1323): 554–569. Bibcode:1962RSPSA.265..554B. Дои:10.1098 / rspa.1962.0042. ISSN  2053-9169. S2CID  120311101.
  34. ^ Stanwix, P.L .; и другие. (2005). «Проверка лоренц-инвариантности в электродинамике с использованием вращающихся криогенных сапфировых микроволновых генераторов». Письма с физическими проверками. 95 (4): 040404. arXiv:hep-ph / 0506074. Bibcode:2005PhRvL..95d0404S. Дои:10.1103 / PhysRevLett.95.040404. PMID  16090785. S2CID  14255475.
  35. ^ Mendis, R .; Миттлман, М. (2010). "Распространение терагерцового импульса в режиме шепчущей галереи на изогнутой металлической пластине". Письма по прикладной физике. 97 (3): 031106. Bibcode:2010ApPhL..97c1106M. Дои:10.1063/1.3466909.
  36. ^ Альберт, Ф .; Браун, Т .; Heindel, T .; Schneider, C .; Reitzenstein, S .; Höfling, S .; Worschech, L .; Форчел, А. (6 сентября 2010 г.). "Генерация в моде шепчущей галереи в микростолбах квантовых точек с электрическим приводом". Письма по прикладной физике. Издательство AIP. 97 (10): 101108. Bibcode:2010ApPhL..97j1108A. Дои:10.1063/1.3488807. ISSN  0003-6951.
  37. ^ Hyun, J. K .; Couillard, M .; Rajendran, P .; Liddell, C.M .; Мюллер, Д. А. (15 декабря 2008 г.). «Измерение мод шепчущей галереи в дальнем ультрафиолетовом диапазоне с помощью электронов высоких энергий». Письма по прикладной физике. Издательство AIP. 93 (24): 243106. Bibcode:2008ApPhL..93x3106H. Дои:10.1063/1.3046731. ISSN  0003-6951.
  38. ^ Лю, Цзянь; Головченко, Женя А. (4 августа 1997 г.). "Рентгеновские лучи, захваченные на поверхности: режимы шепчущей галереи при λ = 0,7Å". Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 79 (5): 788–791. Bibcode:1997ПхРвЛ..79..788Л. Дои:10.1103 / Physrevlett.79.788. ISSN  0031-9007.
  39. ^ Несвижевский, Валерий В .; Воронин Алексей Юрьевич; Кубит, Роберт; Протасов, Константин В. (13 декабря 2009 г.). «Галерея шепота нейтронов». Природа Физика. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 6 (2): 114–117. Дои:10,1038 / nphys1478. ISSN  1745-2473.
  40. ^ Рихт, Гаэль; Булу, Эрве; Шерер, Фабрис; Спайссер, Вирджиния; Каррьер, Бернар; Матевет, Фабрис; Шулль, Гийом (29 января 2013 г.). «Олиготиофеновые нанокольца как электронные резонаторы для режимов шепчущей галереи». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 110 (5): 056802. arXiv:1301.4860. Bibcode:2013ПхРвЛ.110э6802Р. Дои:10.1103 / Physrevlett.110.056802. ISSN  0031-9007. PMID  23414040. S2CID  40257448.
  41. ^ Драгун, Ольга; Убералл, Герберт (1980). «Ядерные волны Рэлея и шепчущей галереи, возбуждаемые в столкновениях тяжелых ионов». Письма по физике B. Elsevier BV. 94 (1): 24–27. Bibcode:1980ФЛБ ... 94 ... 24Д. Дои:10.1016/0370-2693(80)90816-3. ISSN  0370-2693.
  42. ^ Arcos, E .; Báez, G .; Cuatláyol, P.A .; Prian, M. L. H .; Méndez-Sánchez, R.A .; Эрнандес-Салдана, Х. (1998). «Вибрационные мыльные пленки: аналог квантового хаоса на бильярде». Американский журнал физики. Американская ассоциация учителей физики (AAPT). 66 (7): 601–607. arXiv:chao-dyn / 9903002. Bibcode:1998AmJPh..66..601A. Дои:10.1119/1.18913. ISSN  0002-9505. S2CID  52106857.
  43. ^ Мин, Бумки; Остби, Эрик; Соргер, Фолькер; Улин-Авила, Эрик; Ян, Лань; Чжан, Сян; Вахала, Керри (2009). "Высокодобротный микрополость шепчущей галереи поверхностных плазмон-поляритонов". Природа. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 457 (7228): 455–458. Bibcode:2009Натура.457..455М. Дои:10.1038 / природа07627. ISSN  0028-0836. PMID  19158793. S2CID  4411541.
  44. ^ Солнце, Ляоксин; Чен, Чжанхай; Рен, Цицзюнь; Ю, Кэ; Бай, Лихуэй; Чжоу, Вэйхан; Сюн, Хуэй; Zhu, Z. Q .; Шэнь, Сюэчу (16 апреля 2008 г.). "Прямое наблюдение поляритонов моды шепчущей галереи и их дисперсии в конической микрополости ZnO". Письма с физическими проверками. 100 (15): 156403. arXiv:0710.5334. Bibcode:2008PhRvL.100o6403S. Дои:10.1103 / Physrevlett.100.156403. ISSN  0031-9007. PMID  18518134. S2CID  28537857.
  45. ^ Томес, Мэтью; Кармон, Тал (19 марта 2009 г.). "Фотонные микроэлектромеханические системы, колеблющиеся в диапазоне X (11 ГГц)". Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 102 (11): 113601. Bibcode:2009ПхРвЛ.102к3601Т. Дои:10.1103 / Physrevlett.102.113601. ISSN  0031-9007. PMID  19392199.
  46. ^ Ким, Чжун Хван; Кузык, Марк С .; Хан, Кевен; Ван, Хайлинь; Бахл, Гаурав (26 января 2015 г.). «Невзаимное бриллюэновское рассеяние, индуцированное прозрачностью». Природа Физика. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 11 (3): 275–280. arXiv:1408.1739. Bibcode:2015НатФ..11..275K. Дои:10.1038 / nphys3236. ISSN  1745-2473. S2CID  119173646.
  47. ^ Бахл, Гаурав; Ким, Кю Хён; Ли, Вонсук; Лю, Цзин; Фань, Сюйдун; Кармон, Тал (7 июня 2013 г.). «Оптомеханика полости Бриллюэна с микрофлюидными приборами». Nature Communications. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 4 (1): 1994. arXiv:1302.1949. Bibcode:2013НатКо ... 4.1994B. Дои:10.1038 / ncomms2994. ISSN  2041-1723. PMID  23744103.

внешняя ссылка