Whispering-Gallery Wave - Whispering-gallery wave

Whispering-gallery-vågor , eller whispering-gallery-lägen , är en typ av våg som kan färdas runt en konkav yta. Ursprungligen upptäcktes för ljudvågor i viskande galleri av St Pauls Cathedral , kan de finnas för ljus och för andra vågor, med viktiga tillämpningar inom oförstörande provning , lasrande , kylning och avkänning , liksom i astronomi .

Introduktion

Ögonblicksbild av ett akustiskt viskgalleriläge beräknat med en frekvens på 69 Hz i en sluten cylinder av luft med samma diameter (33,7 m) som det viskande galleriet i St Paul's Cathedral. Rött och blått representerar högre respektive lägre lufttryck, och snedvridningarna i rutnätet visar förskjutningarna. När det gäller vågorna som rör sig en väg runt galleriet rör sig luftpartiklarna i elliptiska banor.

Viskningsgallerivågor förklarades först för fallet med St Paul's Cathedral cirka 1878 av Lord Rayleigh , som reviderade en tidigare missuppfattning att viskningar kunde höras över kupolen men inte i någon mellanliggande position. Han förklarade fenomenet resande viskningar med en serie speglande reflekterade ljudstrålar som utgör ackord i det cirkulära galleriet. Om man håller fast vid väggarna bör ljudet bara sönderfalla som det inversa av avståndet - snarare än det inversa kvadratet som i fallet med en punktkälla för ljud som strålar ut i alla riktningar. Detta står för att viskningarna är hörbara runt om i galleriet.

Rayleigh utvecklade vågteorier för St Paul 1910 och 1914. Montering av ljudvågor inuti ett hålrum involverar resonansfysik baserad på våginterferens ; ljudet kan existera endast på vissa tonhöjder som i fallet med orgelrör . Ljudet bildar mönster som kallas lägen , som visas i diagrammet.

Många andra monument har visats uppvisa viskande gallerivågor, som Gol Gumbaz i Bijapur och Himmelens tempel i Peking.

I den strikta definitionen av viskningsgallerivågor kan de inte existera när styrytan blir rak. Matematiskt motsvarar detta gränsen för en oändlig krökningsradie. Viskningsgallerivågor styrs av effekten av väggkurvaturen.

Akustiska vågor

Viskningsgallerivågor för ljud finns i en mängd olika system. Exempel är vibrationer från hela jorden eller stjärnorna .

Sådana akustiska viskgallerivågor kan användas i oförstörande testning i form av vågor som till exempel kryper runt hål fyllda med vätska. De har också detekterats i solida cylindrar och sfärer, med applikationer för avkänning och visualiseras i rörelse på mikroskopiska skivor.

Viskande gallervågor styrs mer effektivt i sfärer än i cylindrar eftersom effekterna av akustisk diffraktion (lateral vågspridning) sedan kompenseras helt.

Elektromagnetiska vågor

Optiska viskningsgallerilägen i en glassfär med diameter 300 mikrometer experimentellt avbildad med en fluorescensteknik . Spetsen på en vinkelskuren optisk fiber , synlig till höger, exciterar lägena i det röda området av det optiska spektrumet.

Viskningsgallerivågor finns för ljusvågor. De har tillverkats i mikroskopiska glaskulor eller tori, till exempel med applikationer inom lasning , optomekanisk kylning , generering av frekvenskam och avkänning . Ljusvågorna styrs nästan perfekt av optisk total intern reflektion , vilket leder till att Q-faktorer överstiger 10 10 uppnås. Detta är mycket större än de bästa värdena, ungefär 104 , som på liknande sätt kan erhållas i akustik. Optiska lägen i en viskande galleriresonator är i sig förlorade på grund av en mekanism som liknar kvanttunnel . Som ett resultat upplever ljus i ett viskande galleriläge en viss strålningsförlust även under teoretiskt idealiska förhållanden. En sådan förlustkanal har varit känd från forskning om teorin om optisk vågledare och kallas tunneldråldämpning inom fiberoptikområdet . Q-faktorn är proportionell mot vågarnas förfallstid, som i sin tur är omvänt proportionell mot både ytspridningshastigheten och vågabsorptionen i mediet som utgör galleriet. Viskningsgallerivågor för ljus har undersökts i kaotiska gallerier , vars tvärsnitt avviker från en cirkel. Och sådana vågor har använts i kvantinformationsapplikationer .

Viskningsgallerivågor har också demonstrerats för andra elektromagnetiska vågor såsom radiovågor , mikrovågor , terahertz-strålning , infraröd strålning , ultravioletta vågor och röntgenstrålar . Mer nyligen, med den snabba utvecklingen av mikrofluidteknik, har många integrerade viskande gallerilägessensorer, genom att kombinera portabiliteten hos lab-on-chip-enheter och den höga känsligheten hos viskande gallerilägesresonatorer, dykt upp. Funktionerna för effektiv provhantering och detektering av multiplexanalyt som erbjuds av dessa system har lett till många biologiska och kemiska avkänningsapplikationer, särskilt för detektering av enstaka partiklar eller biomolekyler.

Andra system

Viskningsgallerivågor har sett i form av materievågor för neutroner och elektroner, och de har föreslagits som en förklaring till vibrationer i en enda kärna . Whispering Gallery vågor har också observerats i vibrationerna av tvålfilmer samt i vibrationer tunna plattor Analogier av viska-galleri vågor existerar även för gravitationsvågor vid händelsehorisonten av svarta hål . En hybrid av ljusvågor och elektroner som kallas ytplasmoner har demonstrerats i form av viskgallerivågor och likaså för exciton - polaritons i halvledare . Gallerier som samtidigt innehåller både akustiska och optiska viskgallerivågor har också gjorts och uppvisar mycket starka modekopplingar och sammanhängande effekter. Hybrid fast-vätska-optiska viskgalleristrukturer har också observerats.

Se även

Referenser

externa länkar