• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Fysik
    Och plötsligt, dammen brast, låter ljuskornen strömma fram …

    Exempel på olinjär effekt som kan observeras i en optisk fiber. Alla regnbågens färger genereras vid utgången medan endast en färg finns vid ingången. Vi pratar om superkontinuum. Författare tillhandahålls

    Fysiker från universitetet i Lille, i samarbete med University of Ferrara i Italien, har introducerat en flod i ett optiskt laboratorium... De har just observerat brottet av en fotonbarriär i en optisk fiber, ett fenomen som är direkt jämförbart med bristningen av en damm placerad på en flods botten.

    Vi och våra kollegor har utnyttjat analogin mellan utbredningen av vågor i floder och utbredningen av ljuspulser i optiska fibrer för att i detalj studera bildandet av den utrullande vågen som omedelbart följer på brottet av en damm i en flod. Och detta, bekvämt installerad i vårt optiska laboratorium utan risk.

    Vattendroppar i en optisk fiber?

    Det är mer än en analogi:under vissa förhållanden, ekvationerna som styr utbredningen av dessa vågor är strikt identiska för vart och ett av dessa medier. Det är därför förvånande att beteendet hos dessa två fysiska system, a priori helt annorlunda, är identisk. Mer exakt, vi har visat att de små dropparna vatten som fångas bakom dammen beter sig som ljuskorn – fotonerna – från en laserstråle när de fortplantar sig i en optisk fiber. Vi påpekar att denna analogi hade använts för mer än tio år sedan för att studera bildandet av oseriösa vågor.

    Situationen vi har studerat är en helt annan. Det är en fördämning placerad på botten av en flod som plötsligt går sönder (ingenting att göra med en oseriös våg). För att efterlikna bristningen av en damm i en optisk fiber, Franska och italienska fysiker injicerade i en fiber en laserstråle vars variationer i intensitet kontra tid motsvarar skillnaden i vattennivåer placerade uppströms och nedströms dammen.

    Brytning av en damm baserat på numeriska simuleringar på en flod/i en optisk fiber.

    Att göra detta, lasern tvingas avge en ljusskur i form av ett trappsteg, nivån på stegen som motsvarar laserns ljusstyrka. Ett första steg, med mycket låg intensitet följt av en sekund med mycket stark ljusstyrka. Ljusintensitetsnivåerna liknar då vattennivåerna i floden. Det är viktigt att betona att för att korrespondensen ska vara giltig är det viktigt att övergången är extremt snabb mellan dessa två steg:vanligtvis 20 pikosekunder eller 20 miljarddelar av en millisekund, vilket gör dessa experiment mycket knepiga både för genereringen av signalerna och för deras karakterisering. Högpresterande enheter behövs för att uppnå denna nivå av noggrannhet.

    Trappan pulserar

    Under dess utbredning i den optiska fibern, det tidsmässiga utseendet av laserpulsen, till en början i trappan, är modifierad eftersom, å ena sidan, nya färger genereras och, å andra sidan, dessa färger färdas inte med samma hastighet. Den plötsliga övergången mellan dessa två steg utvecklas gradvis och oupplösligt mot en mjukare övergång. Dammen är bruten! Den utrullande vågen leder till genereringen av en chockvåg och en sällsynt våg som förbinder de två trapporna.

    Dessa två vågor ger övergången mellan de två intensitetsnivåerna i laserramen, eller båda vattennivåerna i en damm vid en flod. Låt oss betona, det är viktigt, att uppsättningen experimentella observationer har validerats genom numeriska simuleringar. Detta bekräftar att modellen som används exakt beskriver fenomenet och därför förstärker styrkan i analogin.

    Den största skillnaden ligger i det faktum att inom optik, utveckling sker längs fiberlängden, när det gäller en flod, evolutionsparametern är tiden. Således, att följa bildningen av vågen efter att en damm brutits, det är nödvändigt att registrera laserns tidsmässiga form för olika fiberlängder, som visas i figuren nedan.

    Utrustning av Fibretech Lille fiberoptiska rittorn.

    Till skillnad från att bryta en damm i en flod, experimentet som utförs i ett optiskt laboratorium är riskfritt, repeterbar och uppsättningen av parametrar finjusterad. Det är verkligen mycket lätt att ändra kraften hos lasern, dess färg eller typen av optisk fiber. Således, det är möjligt att skanna ett brett spektrum av parametrar för att uppnå en bra förståelse av fenomenet (vi använde FibreTech Lille rittornet för PHLAM-laboratoriet, baserad i IRCICA för att utveckla och tillverka optiska fibrer optimerade för detta experiment).

    Vetenskapligt förhållningssätt och perspektiv

    På grund av den formella analogin mellan dessa två domäner, alla slutsatser och tolkningar kan överföras till fallet med att en damm bröts i en flod. Detta arbete utgör den första experimentella valideringen av förutsägelser baserade på en berömd teori utvecklad av matematikern G.B. Whitham för flera decennier sedan och det experimentella systemet som implementerades kommer att tillåta oss att studera ett mer allmänt problem som den berömda matematikern Riemann ställde under artonhundratalet.

    Till sist, detta arbete illustrerar det tillvägagångssätt som fysiker följer i vardagen. De utvecklar de mest universella modellerna för att beskriva och förutsäga vad som observeras i naturen, genom att samarbeta med experter från olika länder.

    Uppsatsen publicerades i tidskriften Physical Review Letters, med titeln "Dispersive Dam-Break Flow of a Photon Fluid."

    Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.

    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com