Волна шепчущей галереи

Волны шепчущей галереи или режимы шепчущей галереи — это тип волны, которая может перемещаться по вогнутой поверхности. Первоначально обнаруженные для звуковых волн в шепчущей галерее собора Святого Павла , они могут существовать и для света , и для других волн, находя важные применения в неразрушающих испытаниях , лазерной генерации , охлаждении и зондировании , а также в астрономии .
Введение
[ редактировать ]Волны шепчущей галереи были впервые объяснены на примере собора Святого Павла примерно в 1878 году. [3] Лорд Рэлей , который пересмотрел предыдущее заблуждение [4] [5] этот шепот можно было услышать по всему куполу, но не в какой-либо промежуточной позиции. Явление путешествующего шепота он объяснил серией зеркально отраженных звуковых лучей, составляющих аккорды круговой галереи. Прижимаясь к стенам, интенсивность звука должна затухать только пропорционально расстоянию, а не обратно квадрату, как в случае точечного источника звука, излучаемого во всех направлениях. Именно поэтому шепот слышен по всей галерее.
Рэлей разработал волновые теории для собора Святого Павла в 1910 году. [6] и 1914. [7] Установка звуковых волн внутри полости предполагает физику резонанса, основанную на интерференции волн ; звук может существовать только на определенных высотах, как в случае с органными трубами . Звук образует паттерны, называемые модами , как показано на схеме. [1]
Было показано много других памятников. [8] демонстрировать волны шепчущей галереи, такие как Гол Гумбаз в Биджапуре и Храм Неба в Пекине.
В строгом определении волн шепчущей галереи они не могут существовать, когда направляющая поверхность становится прямой. [9] Математически это соответствует пределу бесконечного радиуса кривизны. Волны шепчущей галереи направляются за счет эффекта кривизны стен.
Акустические волны
[ редактировать ]Волны шепчущей галереи звука существуют в самых разных системах. Примеры включают вибрации всей Земли. [10] или звезды . [11]
Такие акустические волны шепчущей галереи могут быть использованы при неразрушающем контроле в виде волн, огибающих отверстия, заполненные жидкостью. [12] например. Они также были обнаружены в твердых цилиндрах. [13] и сферы, [14] с приложениями в области зондирования и визуализируются в движении на микроскопических дисках. [2] [15]
Волны шепчущей галереи более эффективно направляются в сферах, чем в цилиндрах, поскольку эффекты акустической дифракции (бокового распространения волн) тогда полностью компенсируются. [16]
Электромагнитные волны
[ редактировать ]
Для световых волн существуют волны шепчущей галереи. [18] [19] [20] Они были изготовлены в микроскопических стеклянных сферах или торах. [21] [22] например, с приложениями в области лазерной генерации , [23] оптико-механическое охлаждение , [24] частотной гребенки генерация [25] и оптическое зондирование . [26] Световые волны почти идеально направляются за счет полного внутреннего отражения , что приводит к добротности, превышающей 10. 10 достигается. [27] Это намного превышает лучшие значения, около 10. 4 , что аналогичным образом можно получить и в акустике. [28] Оптические моды в резонаторе шепчущей галереи по своей сути несут потери из-за механизма, подобного квантовому туннелированию . В результате свет внутри моды шепчущей галереи испытывает некоторую степень радиационных потерь даже в теоретически идеальных условиях. Такой канал потерь был известен из исследований по теории оптических волноводов и получил название «затухание туннельных лучей». [29] в области оптоволокна . Добротность пропорциональна времени затухания волн, которое, в свою очередь, обратно пропорционально как скорости поверхностного рассеяния, так и поглощению волн в среде, составляющей галерею. Волны шепчущей галереи для света исследовались в хаотических галереях . [30] [31] сечения которого отклоняются от окружности. И такие волны использовались в квантовых информационных приложениях. [32]
Волны шепчущей галереи также были продемонстрированы для других электромагнитных волн , таких как радиоволны . [33] микроволновые печи , [34] терагерцовое излучение , [35] инфракрасное излучение , [36] ультрафиолетовые волны [37] и рентген . [38] Совсем недавно, с быстрым развитием микрофлюидных технологий, появилось множество интегрированных датчиков режима шепчущей галереи, сочетающих портативность лабораторных устройств на кристалле и высокую чувствительность резонаторов режима шепчущей галереи. [39] [40] Возможности эффективной обработки проб и мультиплексного обнаружения аналитов, предлагаемые этими системами, привели к появлению множества приложений биологического и химического зондирования, особенно для обнаружения одиночных частиц или биомолекул. [41] [42]
Другие системы
[ редактировать ]Волны шепчущей галереи наблюдались в форме волн материи для нейтронов . [43] и электроны, [44] и они были предложены в качестве объяснения колебаний одного ядра . [45] Волны шепчущей галереи наблюдались также при колебаниях мыльных пленок, а также при колебаниях тонких пластин. [46] Аналогии волн шепчущей галереи существуют также для гравитационных волн на горизонте событий черных дыр . [1] Гибрид волн света и электронов, известный как поверхностные плазмоны, был продемонстрирован в форме волн шепчущей галереи. [47] то же самое и для экситон - поляритонов в полупроводниках . [48] Также были созданы галереи, одновременно содержащие как акустические, так и оптические волны шепчущей галереи. [49] демонстрируя очень сильную связь мод и когерентные эффекты. [50] Также наблюдались гибридные структуры твердого тела, жидкости и оптической шепчущей галереи. [51]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Райт, Оливер Б. (2012). «Галерея шепотов». Мир физики . 25 (2): 31–36. Бибкод : 2012PhyW...25b..31W . дои : 10.1088/2058-7058/25.02.36 .
- ^ Jump up to: а б Оливер, Райт Б.; Мацуда, Оливер. «Наблюдение за волнами шепчущей галереи» . Лаборатория прикладной физики твердого тела Университета Хоккайдо . Проверено 30 ноября 2018 г.
- ^ [Лорд Рэлей, Теория звука, том. II, 1-е издание (Лондон, Макмиллан), 1878 г.]
- ^ [Дж. Тиндалл, «Наука о звуке» (Нью-Йорк, Философская библиотека), 1867, с. 20.]
- ^ [Г.Б. Эйри, О звуке и атмосферных вибрациях с математическими элементами музыки (Лондон, Макмиллан), 1871, с. 145.]
- ^ Рэлей, Лорд (1910). «CXII. Проблема шепчущей галереи» . Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал . 20 (120). Информа Великобритания Лимитед: 1001–1004. дои : 10.1080/14786441008636993 . ISSN 1941-5982 .
- ^ Рэлей, Лорд (1914). «IX. Дальнейшие применения функций высокого порядка Бесселя к Шепчущей галерее и смежным задачам». Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал . 27 (157). Информа UK Limited: 100–109. дои : 10.1080/14786440108635067 . ISSN 1941-5982 .
- ^ Раман, резюме (1921–1922). «XV. О шепчущих галереях» . Труды Индийской ассоциации развития науки . 7 : 159.
- ^ [L. M. Brekhovskikh, Sov. Phys. Acoust. 13, 462, 1968]
- ^ [Количественная сейсмология, К. Аки и П.Г. Ричардс (University Science Books), 2009, гл. 8]
- ^ Риз, доктор медицинских наук; МакГрегор, КБ; Джексон, С.; Скуманич, А.; Меткалф, Т.С. (1 марта 2009 г.). «Пульсационные режимы в быстро вращающихся моделях звезд на основе метода самосогласованного поля» . Астрономия и астрофизика . 506 (1). EDP Sciences: 189–201. arXiv : 0903.4854 . Бибкод : 2009A&A...506..189R . дои : 10.1051/0004-6361/200811510 . ISSN 0004-6361 .
- ^ Надь, Питер Б.; Блоджетт, Марк; Голис, Мэтью (1994). «Контроль дренажных отверстий окружными ползучими волнами». НДТ и Е Интернешнл . 27 (3). Эльзевир Б.В.: 131–142. дои : 10.1016/0963-8695(94)90604-1 . ISSN 0963-8695 .
- ^ Клореннек, Д; Ройер, Д; Валашек, Х (2002). «Неразрушающий контроль цилиндрических деталей с помощью лазерного ультразвука». Ультразвук . 40 (1–8). Эльзевир Б.В.: 783–789. дои : 10.1016/s0041-624x(02)00210-x . ISSN 0041-624X . ПМИД 12160045 .
- ^ Исикава, Сатору; Накасо, Норитака; Такеда, Нобуо; Михара, Цуёси; Цукахара, Юсуке; Яманака, Казуши (2003). «Поверхностные акустические волны на сфере с расходящимся, фокусирующим и коллимирующим лучами, возбуждаемые встречно-штыревым преобразователем». Письма по прикладной физике . 83 (22). Издательство AIP: 4649–4651. Бибкод : 2003ApPhL..83.4649I . дои : 10.1063/1.1631061 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Тачизаки, Такехиро; Мацуда, Осаму; Мазнев Алексей Александрович; Райт, Оливер Б. (23 апреля 2010 г.). «Акустические моды шепчущей галереи, генерируемые и динамически отображаемые с помощью ультракоротких оптических импульсов». Физический обзор B . 81 (16). Американское физическое общество (APS): 165434. Бибкод : 2010PhRvB..81p5434T . дои : 10.1103/physrevb.81.165434 . hdl : 2115/43062 . ISSN 1098-0121 .
- ^ Исикава, Сатору; Чо, Хидео; Яманака, Казуси; Накасо, Норитака; Цукахара, Юсуке (30 мая 2001 г.). «Поверхностные акустические волны на сфере. Анализ распространения с использованием лазерного ультразвука». Японский журнал прикладной физики . 40 (Часть 1, № 5Б). Японское общество прикладной физики: 3623–3627. Бибкод : 2001JaJAP..40.3623I . дои : 10.1143/jjap.40.3623 . ISSN 0021-4922 . S2CID 121857533 .
- ^ «Задержка последовательности коротких световых импульсов в резонаторах WGM» . Медиа-группа Tech Briefs . 1 сентября 2018 года . Проверено 30 ноября 2018 г.
- ^ Ми, Густав (1908). «Вклад в оптику мутных сред, особенно коллоидных растворов металлов» . Анналы физики (на немецком языке). 330 (3). Уайли: 377–445. Бибкод : 1908АнП...330..377М . дои : 10.1002/andp.19083300302 . ISSN 0003-3804 .
- ^ Дебай, П. (1909). «Давление света на сферы любого материала». Анналы физики (на немецком языке). 335 (11). Уайли: 57-136. Нагрудный код : 1909АнП...335...57Д . дои : 10.1002/andp.19093351103 . hdl : 1908/3003 . ISSN 0003-3804 .
- ^ Ораевский, Анатолий Н (31 мая 2002 г.). «Волны шепчущей галереи». Квантовая электроника . 32 (5). Издательство ИОП: 377–400. дои : 10.1070/qe2002v032n05abeh002205 . ISSN 1063-7818 . S2CID 250792191 .
- ^ Вахала, К.Дж. (2003). «Оптические микрорезонаторы». Природа . 424 (6950): 839–846. Бибкод : 2003Natur.424..839V . дои : 10.1038/nature01939 . ПМИД 12917698 . S2CID 4349700 .
- ^ Кьясера, А.; Дюмейж, Ю.; Ферон, П.; Феррари, М.; Жестин, Ю.; Нунци Конти, Г.; Пелли, С.; Сория, С.; Ригини, GC (23 апреля 2010 г.). «Сферические микрорезонаторы режима шепчущей галереи». Обзоры лазеров и фотоники . 4 (3). Уайли: 457–482. Бибкод : 2010ЛПРв....4..457С . дои : 10.1002/lpor.200910016 . ISSN 1863-8880 . S2CID 119484780 .
- ^ Ракович Ю.П.; Донеган, Дж. Ф. (2 июня 2009 г.). «Фотонные атомы и молекулы». Обзоры лазеров и фотоники . 4 (2). Уайли: 179–191. дои : 10.1002/lpor.200910001 . ISSN 1863-8880 . S2CID 121561846 .
- ^ Киппенберг, Ти Джей; Вахала, К.Дж. (29 августа 2008 г.). «Оптомеханика полостей: обратное действие на мезомасштабе». Наука . 321 (5893). Американская ассоциация развития науки (AAAS): 1172–1176. Бибкод : 2008Sci...321.1172K . дои : 10.1126/science.1156032 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 18755966 . S2CID 4620490 .
- ^ Дель'Хэй, П .; Шлиссер, А.; Арсисет, О.; Уилкен, Т.; Хольцварт, Р.; Киппенберг, Ти Джей (2007). «Генерация гребенки оптических частот из монолитного микрорезонатора». Природа . 450 (7173). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 1214–1217. arXiv : 0708.0611 . Бибкод : 2007Natur.450.1214D . дои : 10.1038/nature06401 . ISSN 0028-0836 . ПМИД 18097405 . S2CID 4426096 .
- ^ Арнольд, С.; Хошсима, М.; Тераока, И.; Холлер, С.; Воллмер, Ф. (15 февраля 2003 г.). «Сдвиг режимов шепчущей галереи в микросферах за счет адсорбции белка». Оптические письма . 28 (4). Оптическое общество: 272–4. Бибкод : 2003OptL...28..272A . дои : 10.1364/ол.28.000272 . ISSN 0146-9592 . ПМИД 12653369 .
- ^ Грудинин Иван С.; Ильченко Владимир С.; Малеки, Лютня (8 декабря 2006 г.). «Сверхвысокая оптическая добротность кристаллических резонаторов в линейном режиме». Физический обзор А. 74 (6). Американское физическое общество (APS): 063806. Бибкод : 2006PhRvA..74f3806G . дои : 10.1103/physreva.74.063806 . ISSN 1050-2947 .
- ^ Яманака, К.; Исикава, С.; Накасо, Н.; Такеда, Н.; Сим, Дон Ён; и др. (2006). «Сверхмногократное обход поверхностной акустической волны по сфере, реализующей инновации в области газовых датчиков». Транзакции IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрике и контролю частоты . 53 (4): 793–801. дои : 10.1109/TUFFC.2006.1621507 . ПМИД 16615584 . S2CID 22051539 .
- ^ Паск, Колин (1 декабря 1977 г.). «Обобщенные параметры затухания туннельных лучей в оптических волокнах». Журнал Оптического общества Америки . 68 (1). Оптическое общество: 110. doi : 10.1364/josa.68.000110 . ISSN 0030-3941 .
- ^ Гмахл, К. (5 июня 1998 г.). «Мощное направленное излучение микролазеров с хаотическими резонаторами». Наука . 280 (5369): 1556–1564. arXiv : cond-mat/9806183 . Бибкод : 1998Sci...280.1556G . дои : 10.1126/science.280.5369.1556 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 9616111 . S2CID 502055 .
- ^ Барышников Юлий; Хайдер, Паскаль; Парц, Вольфганг; Жарницкий, Вадим (22 сентября 2004 г.). «Моды шепчущей галереи внутри асимметричных резонансных резонаторов». Письма о физических отзывах . 93 (13). Американское физическое общество (APS): 133902. Бибкод : 2004PhRvL..93m3902B . дои : 10.1103/physrevlett.93.133902 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 15524720 .
- ^ 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 . 19 (3). Оптическое общество: 2278–85. arXiv : 1101.5198 . Бибкод : 2011OExpr..19.2278T . дои : 10.1364/oe.19.002278 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 21369045 . S2CID 31604481 .
- ^ Бадден, КГ; Мартин, ХГ (6 февраля 1962 г.). «Ионосфера как шепчущая галерея». Труды Лондонского королевского общества. Серия А. Математические и физические науки . 265 (1323). Королевское общество: 554–569. Бибкод : 1962RSPSA.265..554B . дои : 10.1098/rspa.1962.0042 . ISSN 2053-9169 . S2CID 120311101 .
- ^ Стэнвикс, Польша; и др. (2005). «Проверка лоренц-инвариантности в электродинамике с использованием вращающихся криогенных сапфировых микроволновых генераторов». Письма о физических отзывах . 95 (4): 040404. arXiv : hep-ph/0506074 . Бибкод : 2005PhRvL..95d0404S . doi : 10.1103/PhysRevLett.95.040404 . ПМИД 16090785 . S2CID 14255475 .
- ^ Мендис, Р.; Миттлман, М. (2010). «Распространение терагерцового импульса в режиме шепчущей галереи по изогнутой металлической пластине». Письма по прикладной физике . 97 (3): 031106. Бибкод : 2010ApPhL..97c1106M . дои : 10.1063/1.3466909 .
- ^ Альберт, Ф.; Браун, Т.; Хейндель, Т.; Шнайдер, К.; Райценштейн, С.; Хёфлинг, С.; Воршех, Л.; Форчел, А. (6 сентября 2010 г.). «Лазировка в режиме шепчущей галереи в микростолбиках с квантовыми точками с электрическим приводом». Письма по прикладной физике . 97 (10). Издательство AIP: 101108. Бибкод : 2010ApPhL..97j1108A . дои : 10.1063/1.3488807 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Хён, Дж. К.; Куйяр, М.; Раджендран, П.; Лидделл, CM; Мюллер, Д.А. (15 декабря 2008 г.). «Измерение мод шепчущей галереи в дальнем ультрафиолете с электронами высоких энергий». Письма по прикладной физике . 93 (24). Издательство AIP: 243106. Бибкод : 2008ApPhL..93x3106H . дои : 10.1063/1.3046731 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Лю, Чиен; Головченко, Джин А. (4 августа 1997 г.). «Рентгеновские лучи, захваченные поверхностью: режимы шепчущей галереи при λ = 0,7Å» . Письма о физических отзывах . 79 (5). Американское физическое общество (APS): 788–791. Бибкод : 1997PhRvL..79..788L . дои : 10.1103/physrevlett.79.788 . ISSN 0031-9007 . S2CID 121253766 .
- ^ М.Р. Форман (2015). «Датчики режима шепчущей галереи» . Достижения оптики и фотоники . 7 (2): 168–240. Бибкод : 2015AdOP....7..168F . дои : 10.1364/AOP.7.000168 . ПМЦ 4786191 . ПМИД 26973759 .
- ^ Ю. Ван (2020). «Микрофлюидные оптические датчики в режиме шепчущей галереи для биологических приложений» . Обзоры лазеров и фотоники . 14 (12): 2000135–56. Бибкод : 2020ЛПРв...1400135Вт . дои : 10.1002/lpor.202000135 . S2CID 228850737 .
- ^ Т. Рейнольдс (2017). «Флуоресцентные и лазерные микрорезонаторы в режиме шепчущей галереи для сенсорных приложений» . Обзоры лазеров и фотоники . 11 (2): 1600265–76. Бибкод : 2017ЛПРв...1100265Р . дои : 10.1002/lpor.201600265 . hdl : 2027.42/136528 . S2CID 125481589 .
- ^ А. Боззола (2017). «Гибридные плазмонно-фотонные резонаторы режима шепчущей галереи для зондирования: критический обзор» . Аналитик . 142 (6): 883–898. Бибкод : 2017Ана...142..883B . дои : 10.1039/C6AN02693A . ПМИД 28225100 .
- ^ Несвижевский Валерий Васильевич; Воронин Алексей Юрьевич; Кабитт, Роберт; Протасов, Константин В. (13 декабря 2009 г.). «Нейтронная шепчущая галерея» . Физика природы . 6 (2). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 114–117. дои : 10.1038/nphys1478 . ISSN 1745-2473 .
- ^ Рехт, Гаэль; Булу, Эрве; Шерер, Фабрис; Спайссер, Вирджиния; Каррьер, Бернар; Матеве, Фабрис; Шулль, Гийом (29 января 2013 г.). «Олиготиофеновые нанокольца как электронные резонаторы для режимов шепчущей галереи». Письма о физических отзывах . 110 (5). Американское физическое общество (APS): 056802. arXiv : 1301.4860 . Бибкод : 2013PhRvL.110e6802R . doi : 10.1103/physrevlett.110.056802 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 23414040 . S2CID 40257448 .
- ^ Драгун, Ольга; Юбералл, Герберт (1980). «Ядерные волны Рэлея и шепчущей галереи, возбуждаемые при столкновениях тяжелых ионов». Буквы по физике Б. 94 (1). Эльзевир Б.В.: 24–27. Бибкод : 1980PhLB...94...24D . дои : 10.1016/0370-2693(80)90816-3 . ISSN 0370-2693 .
- ^ Аркос, Э.; Баез, Г.; Куатлайол, Пенсильвания; Приан, MLH; Мендес-Санчес, РА; Эрнандес-Салданья, Х. (1998). «Вибрирующие мыльные пленки: аналог квантового хаоса на бильярде». Американский журнал физики . 66 (7). Американская ассоциация учителей физики (AAPT): 601–607. arXiv : чао-дин/9903002 . Бибкод : 1998AmJPh..66..601A . дои : 10.1119/1.18913 . ISSN 0002-9505 . S2CID 52106857 .
- ^ Мин, Бумки; Остби, Эрик; Зоргер, Фолькер; Улин-Авила, Эрик; Ян, Лан; Чжан, Сян; Вахала, Керри (2009). «Высокодобротный поверхностный плазмон-поляритонный микрорезонатор шепчущей галереи». Природа . 457 (7228). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 455–458. Бибкод : 2009Natur.457..455M . дои : 10.1038/nature07627 . ISSN 0028-0836 . ПМИД 19158793 . S2CID 4411541 .
- ^ Сунь, Ляосинь; Чен, Чжанхай; Рен, Цицзюнь; Ю, Кэ; Бай, Лихуэй; Чжоу, Вэйхан; Сюн, Хуэй; Чжу, ZQ; Шен, Сюэчу (16 апреля 2008 г.). «Прямое наблюдение поляритонов режима шепчущей галереи и их дисперсии в конической микрополости ZnO». Письма о физических отзывах . 100 (15): 156403. arXiv : 0710.5334 . Бибкод : 2008PhRvL.100o6403S . дои : 10.1103/physrevlett.100.156403 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 18518134 . S2CID 28537857 .
- ^ Томес, Мэтью; Кармон, Тал (19 марта 2009 г.). «Фотонные микроэлектромеханические системы, вибрирующие на частоте Х-диапазона (11 ГГц)». Письма о физических отзывах . 102 (11). Американское физическое общество (APS): 113601. Бибкод : 2009PhRvL.102k3601T . дои : 10.1103/physrevlett.102.113601 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 19392199 .
- ^ Ким, ДжунХван; Кузык, Марк С.; Хан, Кевен; Ван, Хайлинь; Бахл, Гаурав (26 января 2015 г.). «Прозрачность, вызванная невзаимным рассеянием Бриллюэна». Физика природы . 11 (3). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 275–280. arXiv : 1408.1739 . Бибкод : 2015NatPh..11..275K . дои : 10.1038/nphys3236 . ISSN 1745-2473 . S2CID 119173646 .
- ^ Бахл, Гаурав; Ким, Кю Хён; Ли, Вонсук; Лю, Цзин; Фань, Сюдун; Кармон, Таль (7 июня 2013 г.). «Оптомеханика полости Бриллюэна с микрофлюидными устройствами» . Природные коммуникации . 4 (1). Springer Science and Business Media LLC: 1994. arXiv : 1302.1949 . Бибкод : 2013NatCo...4.1994B . дои : 10.1038/ncomms2994 . ISSN 2041-1723 . ПМИД 23744103 .