Физики предложили получать «фотонные крючки» на замерзающих каплях воды

Под «фотонными крючками» понимают изогнутые лучи, возникающие при взаимодействии пучков света с частицами, у которых нарушена симметрия. Подобные явления могут найти применения в разнообразных оптических устройствах, например, микроскопах высокого разрешения, датчиках, приборах для обработки материалов и манипулирования нанообъектами и прочих.

Как правило, частицы, на которых получаются такие «крючки», состоят из диэлектриков (в том числе жидких) или различных искусственных материалов — не слишком экологичных, а иногда и достаточно дорогих. Исследователи из Томского политехнического университета с китайским коллегой предложили использовать в качестве частиц капли воды. Ранее уже проводили исследования, в которых показывался подобный подход для фокусирования фемтосекундных импульсов; замерзающая же капля становится уникальной системой жидкость-лед, в которой реализуются специфические физические эффекты. Авторы применили их для управления светом — и изгибания его лучей.

Так, в новой работе предложена концепция темпорального «фотонного крюка», который возникает на охлажденной водяной капле. Согласно модели физиков, последняя находится в воздухе, и через нее пропускается линейно поляризованный свет. Поскольку температура низка, капля начинает замерзать, и в ней получается жидкая и твердая (заледеневшая) часть. Граница двух этих фаз становится своего рода призмой, заставляющей луч изгибаться. При этом оптический луч фокусируется в теневой части капли, даже не смотря на низкий оптический контраст между водой и льдом (коэффициенты преломления различаются всего на 0,033 единицы).

Параметры «фотонного крючка» сильно зависят от геометрии границы: чем сильнее ее искривление по мере замерзания капли, тем длиннее получается изогнутый пучок. Большое значение здесь имеет и положение раздела фаз: при совпадении крайних границ с диаметром капли длина «фотонного крючка» максимальна. По мере дальнейшего продвижения границы раздела к вершине капли длина фотонного крюка начинает уменьшаться и стремится к форме фотонной струи. Чтобы настраивать получаемый луч, необходимо управлять параметрами замерзания капель, например, за счет уменьшения их размеров, подбора поверхности, на которой они находятся, и так далее.

Авторы надеются, что представленные результаты откроют целое направление по разработке оптических устройств, работающих на воде — дешевом, экологичном и доступном «материале».