Луч Эйри

Луч Эйри (англ. Airy beam) — недифрагирующая форма волны, проявляющаяся в виде изгибающегося по мере распространения луча.

Физическое описание

В сечении луч Эйри представляет собой область, на которую приходится основная интенсивность, яркость соседних областей последовательно затухает, сходясь к нулю в бесконечности. На практике луч усекается, чтобы получить конечные значения в ограниченной области.

Распространяясь, луч Эйри не подвергается дифракции, то есть не расплывается. Для этого луча характерно свободное ускорение: по мере распространения он отклоняется от первоначального направления, формируя дугу параболы.

История

Термин «луч Эйри» происходит от интеграла Эйри, введённого в 1838 году Джорджем Бидделем Эйри для объяснения оптических каустик, таких как те, что проявляются в виде радуги.

Существование луча Эйри впервые было теоретически предположено Майклом Берри и Нандором Балажем в 1979 году. Они продемонстрировали решение в виде нерасплывающегося волнового пакета Эйри для уравнения Шрёдингера.

Впервые создать и наблюдать луч Эйри в виде одно- и двумерных конфигураций удалось исследователям Университета Центральной Флориды в 2007 году . В команду входили Георгиос Сивилоглу, Джон Броуки, Аристид Догариу и Димитриос Христодулидис (Georgios Siviloglou, John Broky, Aristide Dogariu, and Demetrios Christodoulides).

В одномерном случае луч Эйри является единственным сохраняющим форму волны ускоряющимся решением уравнения Шрёдингера для свободной частицы (то же справедливо для двумерной волновой оптики параксиальных лучей). Однако в двух измерениях (или для трёхмерных параксиальных оптических систем) возможны два решения: двумерные лучи Эйри и ускоряющиеся параболические лучи.

Математическое описание

Уравнение Шрёдингера в отсутствие потенциала:

i ∂ Φ ∂ ξ + 1 2 ∂ 2 Φ ∂ s 2 = 0 i{frac {partial Phi }{partial xi }}+{frac {1}{2}}{frac {partial ^{2}Phi }{partial ,s^{2}}}=0

имеет следующее недиспергирующее решение Эйри:

Φ ( ξ , s ) = Ai ⁡ ( s − ( ξ / 2 ) 2 ) exp ⁡ ( i ( s ξ / 2 ) − i ( ξ 3 / 12 ) ) , Phi (xi ,,s)=operatorname {Ai} (,s-(xi /2)^{2})exp(i(,sxi /2)-i(xi ^{3}/12)),

где

• Ai — функция Эйри;
• Φ Phi — огибающая электрического поля;
• s = x / x 0 s=x/x_{0} — безразмерная поперечная координата;
• x 0 x_{0} — произвольный поперечный масштаб;
• ξ = z / k x 0 2 xi =z/kx_{0}^{2} — нормированное расстояние распространения (продольная координата);
• k = 2 π n / λ 0 k=2pi ,n/lambda _{0}

Экспериментальное наблюдение

Георгиос Сивилоглу и соавторы успешно создали оптический луч Эйри в 2007 году. Для получения распространения Эйри луч с гауссовским распределением модулировался пространственным модулятором света. Результат был записан на ПЗС-камеру.

В 2013 году был впервые получен электронный луч Эйри.

Применение

Исследователи из Сент-Эндрюсского университета использовали луч Эйри для управления мелкими частицами, перемещая их вдоль линий и вокруг углов. Это может найти применение в микрофлюидике и клеточной биологии.