Vlna šeptající galerie - Whispering-gallery wave

Šeptání-galerie vlny nebo režimy šeptání-galerie , jsou druh vlny, který může cestovat po konkávní povrch. Původně objevena pro zvukové vlny v šeptá galerie z katedrály svatého Pavla , že mohou existovat pro světlo a pro další vlny, s důležitými aplikacemi v nedestruktivní testování , laserování , chlazení a snímání , stejně jako v astronomii .

Úvod

Snímek režimu akustické galerie šeptání vypočítaný na frekvenci 69 Hz v uzavřeném vzduchovém válci stejného průměru (33,7 m) jako galerie šeptání v katedrále sv. Pavla. Červená a modrá představují vyšší a nižší tlaky vzduchu a zkreslení v mřížkách ukazují posunutí. V případě vln pohybujících se jednosměrně kolem galerie se částice vzduchu pohybují v eliptických trajektoriích.

Vlny šeptající galerie byly poprvé vysvětleny pro případ katedrály sv. Pavla kolem roku 1878 lordem Rayleighem , který revidoval předchozí mylnou představu, že šepoty lze slyšet přes kopuli, ale ne v žádné mezilehlé poloze. Vysvětlil fenomén cestujících šepotů pomocí řady zrcadlově odražených zvukových paprsků tvořících akordy kruhové galerie. Při svírání ke stěnám by se zvuk měl rozpadat na intenzitě pouze jako inverzní vzdálenost - spíše než jako inverzní čtverec, jako v případě bodového zdroje zvuku vyzařujícího všemi směry. To odpovídá tomu, že šepoty jsou slyšet po celé galerii.

Rayleigh vyvinul vlnové teorie pro St Paul's v letech 1910 a 1914. Přizpůsobení zvukových vln uvnitř dutiny zahrnuje fyziku rezonance založenou na vlnovém rušení ; zvuk může existovat pouze na určitých výškách, jako je tomu v případě varhanních píšťal . Zvuk tvoří vzory zvané režimy , jak je znázorněno na obrázku.

Ukázalo se, že mnoho dalších památek vykazuje vlny šeptajících galerií, například Gol Gumbaz v Bijapuru a Nebeský chrám v Pekingu.

V přísné definici šeptajících galerijních vln nemohou existovat, když se vodicí plocha stane rovnou. Matematicky to odpovídá limitu nekonečného poloměru zakřivení. Vlny šeptající galerie jsou vedeny účinkem zakřivení stěny.

Akustické vlny

Vlny šeptajícího zvuku existují v široké škále systémů. Mezi příklady patří vibrace celé Země nebo hvězd .

Takovéto vlny akustického šeptání mohou být použity například při nedestruktivních zkouškách ve formě vln, které se plazí kolem otvorů naplněných kapalinou. Byly také detekovány v plných válcích a sférách s aplikacemi ve snímání a vizualizovány v pohybu na mikroskopických discích.

Šeptající vlny galerie jsou efektivněji vedeny ve sférách než ve válcích, protože účinky akustické difrakce (šíření bočních vln) jsou poté zcela kompenzovány.

Elektromagnetické vlny

Režimy optického šeptání - galerie ve skleněné kouli o průměru 300 μm experimentálně zobrazované fluorescenční technikou. Špička úhlově řezaného optického vlákna , viditelná vpravo, vzrušuje režimy v červené oblasti optického spektra.

Pro světelné vlny existují vlny šeptající galerie. Byly vyrobeny například v mikroskopických skleněných kuličkách nebo tori, s aplikacemi v laseru , optomechanickém chlazení , generování frekvenčního hřebenu a snímání . Světelné vlny jsou téměř dokonale vedeny optickým celkovým vnitřním odrazem , což vede k dosažení Q faktorů přesahujících 10 10 . To je mnohem větší, než nejlepší hodnoty, o 10 4 , které mohou být podobně získané v akustice. Optické režimy v šeptajícím rezonátoru galerie jsou ze své podstaty ztrátové kvůli mechanismu podobnému kvantovému tunelování . Výsledkem je, že světlo uvnitř šeptajícího galerijního režimu zažívá stupeň ztráty záření i v teoreticky ideálních podmínkách. Takový ztrátový kanál je znám z výzkumu teorie optických vlnovodů a je nazýván útlumem tunelového paprsku v oblasti vláknové optiky . Faktor Q je úměrný době rozpadu vln, což je nepřímo úměrné rychlosti rozptylu povrchu a absorpci vln v médiu tvořícím galerii. Vlny šeptajícího světla byly zkoumány v chaotických galeriích , jejichž průřezy se odchylují od kruhu. A takové vlny byly použity v aplikacích kvantové informace .

Vlny šeptající galerie byly také prokázány pro jiné elektromagnetické vlny, jako jsou rádiové vlny , mikrovlnné trouby , terahertzové záření , infračervené záření , ultrafialové vlny a rentgenové paprsky . V poslední době se s rychlým vývojem mikrofluidních technologií objevilo mnoho integrovaných senzorů šeptající galerie, které kombinovaly přenositelnost zařízení lab-on-chip a vysokou citlivost rezonátorů šeptající galerie. Schopnosti efektivní manipulace se vzorky a multiplexované detekce analytů, které tyto systémy nabízejí, vedly k mnoha aplikacím biologického a chemického snímání, zejména k detekci jednotlivých částic nebo biomolekul.

Jiné systémy

Vlny šeptající galerie byly pozorovány ve formě vln hmoty pro neutrony a elektrony a byly navrženy jako vysvětlení vibrací jediného jádra . Šeptání galerie vlny byly také pozorovány v vibrací mýdla filmů, stejně jako v vibrace tenkých desek analogie Supertichá galerie vln také existují pro gravitačních vln na horizontu událostí z černé díry . Hybrid vln světla a elektronů známý jako povrchové plazmony byl prokázán ve formě šeptajících galerijních vln a podobně pro exciton - polaritony v polovodičích . Byly také vytvořeny galerie, které současně obsahují jak akustické, tak optické vlny šeptajícího galerie, které vykazují velmi silné propojení a koherentní efekty. Byly pozorovány také hybridní struktury optické šepkající pevné látky a tekutiny.

Viz také

Reference

externí odkazy