Луч Эйри

Луч Э́йри (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:

$i\frac{\partial \mathrm{\Phi }}{\partial \xi }+\frac{1}{2}\frac{{\partial }^2\mathrm{\Phi }}{\partial s^2}=0$

имеет следующее недиспергирующее решение Эйри:

$\mathrm{\Phi }(\xi ,s)=\mathrm{Ai}(s-(\xi /2{)}^2)\exp (i(s\xi /2)-i({\xi }^3/12)),$

где

• Ai — функция Эйри;
• $\mathrm{\Phi }$ — огибающая электрического поля;
• $s=x/x_0$ — безразмерная поперечная координата;
• $x_0$ — произвольный поперечный масштаб;
• $\xi =z/k{x}_0^2$ — нормированное расстояние распространения (продольная координата);
• $k=2\pi n/{\lambda }_0$

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.

См. также

• Луч Бесселя