清水出彩虹?

孫天嬌尚雅軒錢軒姬揚

1)(中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所,半導(dǎo)體超晶格國家重點實驗室,北京 100083)

2)(中國科學(xué)院大學(xué)材料科學(xué)與光電技術(shù)學(xué)院,物理科學(xué)學(xué)院,北京 100049)

彩虹是自然界常見的光學(xué)現(xiàn)象,來自于水滴對太陽光的折射效應(yīng).彩虹是非相干的光學(xué)現(xiàn)象,是每個水滴折射光相加的結(jié)果.不同顏色的光,水的折射率不一樣,進去的是白光,出來的就是彩虹.用白光照射水里的氣泡,同樣會因為折射效應(yīng)而形成彩虹.

利用白光脈沖光纖激光器發(fā)出的高強度的、高定向性的白光(重復(fù)頻率1 MHz,本文使用的最大平均功率約0.5 W),聚焦地照射液體,可以產(chǎn)生定向的、多級的彩色干涉環(huán),這就是“相干彩虹”(圖1;補充材料視頻S1(online)顯示了樣品為水時,隨著白光光強的增大,成像屏上的圖案逐漸變大,出現(xiàn)越來越多的圓環(huán);補充材料視頻S2(online)顯示了樣品為水時,光強保持不變,打開快門后,成像屏很快出現(xiàn)了相干彩虹).把550 nm的干涉濾光片(帶寬為10 nm)放在樣品前方,成像屏上就只有一個圓斑(圖2(a)).把同一個干涉濾光片放在樣品后方,成像屏上就出現(xiàn)圓環(huán),中間是黑的(圖2(b)).隨著白光激光器功率的增強,圓環(huán)逐漸變大,并出現(xiàn)了更多的圓環(huán)(圖2(c)—(f)).

脈沖激光加熱在水里產(chǎn)生了大小相仿的氣泡,每個氣泡成為散射源.氣泡散射了白光,使得圖案中心變黑.單個氣泡可能產(chǎn)生干涉圖案[1],但是,空間位置隨機的氣泡無法彼此干涉.在強光的作用下,空間自相位調(diào)制效應(yīng)[2]產(chǎn)生了相干彩虹.簡單地說,高強度的激光場把氣泡放到了合適的位置上(也可能由于非線性效應(yīng)[2]或者電離產(chǎn)生的自由電子[3]帶來的折射率修正,具體機理尚需進一步探究),使得它們能夠相長地干涉.

在脈沖激光的作用下,許多大小相仿、位置合適的氣泡發(fā)生相干干涉,產(chǎn)生了高定向性的多級干涉環(huán)——相干彩虹(圖1(a)中最外圈光環(huán)的張角大約是7°).水平入射光產(chǎn)生了卵圓形的干涉圖案,上下是不對稱的,因為氣泡在重力作用下不再是球?qū)ΨQ的,而是軸對稱的,氣泡的分布也會因為重力的作用而具有上下不對稱性.把白光垂直地照進水里(沿著氣泡的對稱軸),干涉圖案就非常圓了,如圖3所示(其他波長濾光結(jié)果見補充材料圖S1和圖S2(online)).

圖1(a)氣泡產(chǎn)生的相干彩虹,最外圈光環(huán)的張角大約是7°;(b)裝有水的玻璃樣品盒;(c)圖(b)的局部放大圖,可以看到激光加熱產(chǎn)生的氣泡導(dǎo)致了光的散射(Tyndall現(xiàn)象)以及略有發(fā)散的前向光(相干彩虹);(d)實驗裝置示意圖,包括白光脈沖光纖激光器(WL)、焦距約5cm的凸透鏡(L)、樣品盒(S)和成像屏(IS,距離樣品約50cm)Fig.1.(a)Coherent rainbows are many directional and colorful rings,and the angle of the out-most ring is ～ 7°;(b)glass cell filled with water;(c)enlarged picture of(b),and Tyndall effect(due to bubbles)and slightly divergent beam of light(sideview of coherent rainbows)are clearly seen;(d)experimental setup,including a white-light pulsed fiber laser(WL),a lens with focal length～5cm,a sample cell(S),and an image screen(IS,～50cm away from the sample).

圖3(a)由下而上地照射樣品,得到了更加對稱的相干彩虹;(b)圖(a)經(jīng)過600 nm干涉濾光片(帶寬10 nm)濾光后的結(jié)果;(c)圖1(a)的600 nm濾光結(jié)果Fig.3.(a)Shine the sample from bottom to top and get more circular patterns of coherent rainbows;(b)the same picture as(a)with an 600 nm interference filter;(c)the same picture as Fig.1(a)with an 600 nm interference filter.

用單色激光照射液晶[4]或石墨烯[5]懸濁液,都看到過類似的干涉環(huán),但是照射純凈的溶劑,并沒有看到干涉環(huán)[5].我們先是在石墨的丙酮懸濁液中觀察到了空間自相位調(diào)制導(dǎo)致的干涉圖案,繼而用白光激光在溶劑(無論水、丙酮還是汽水)里都觀察到了這種相干彩虹,盡管在細節(jié)上略有不同(參見補充材料圖S3(online)).

脈沖式白光的瞬時功率很大、譜線很寬,液體里雜質(zhì)(或微小氣泡)總能吸收某些波長的光,局部加熱液體而產(chǎn)生氣泡,脈沖式激光產(chǎn)生的氣泡大小相仿,高強度的激光場把氣泡放到了合適的位置,就可以相長干涉了.

我們相信,任何透明液體都可以產(chǎn)生相干彩虹.

感謝中國科學(xué)院物理研究所趙繼民研究員和中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所孫寶權(quán)研究員的討論,感謝中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所孫明飛提供的幫助.

[1]Li J M,Wei J Y,Wang X Q,Nan J Y,Yang F 2007J.Henan Normal Univ.(Nat.Sci.)35 98(in Chinese)[李建民,魏建宇,王秀清,南景宇,楊富 2007河南師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)35 98]

[2]Yu Z H,Weng Y X 2010Sci.China:Phys.Mech.Astron.53 1060

[3]Wu Y L,Wu Q,Sun F,Cheng C,Meng S,Zhao J M 2015PNAS112 11800

[4]Durbin S D,Arakelian S M,Shen Y R 1981Opt.Lett.6 411

[5]Wu R,Zhang Y L,Yan S C,Bian F,Wang WL,Bai X D,Lu X H,Zhao J M,Wang A G 2011Nano Lett.11 5159