Transcript Low-Power Laser Deformation of an Air

Low-Power Laser
Deformation of an AirLiquid Interface
Olivier Emile, and Janine Emile
LPL, Universite´ Rennes 1, F-35042 Rennes cedex, France
IPR, UMR 6251, CNRS-Universite´ Rennes 1, F-35042 Rennes
cedex, France
(Received 24 December 2010; published 6 May 2011)
報告人：游翔聖
指導老師：梁君致 老師
日期：102/10/24
大綱
1.前言
2.簡介
3.實驗設計
4.實驗分析
5.實驗數據
6.實驗結果
7.實驗驗證
8.結論
一、前言
光流體(Optofluidics)是一門值得研究的
領域，其指的是光(optics)與流體(fluidics)
兩學問之結合，主要分成兩大方向：(1)藉
由光操控流體或粒子之行為、(2)藉由流體
操控光之行為。
前者：光鉗
後者：油浸式顯微鏡、液態透鏡、液晶顯
示器
一、前言
利用光流體的概念可製作出微小且便宜的
生醫光電元件。光流體有良好的光學調控
性，但在反應時間上仍有限制，無法適用
於高速光學切換，如光通訊。儘管如此，
光流體仍適合用於非高速光學切換應用，
如生醫晶片之光學檢測。
二、簡介
1973年已經知道可用雷射使液體表面變形
初步認為雷射功率要大才可以
探討空氣-水表面的形變藉由低能量雷射的全反射
Goos-Ha¨nchen shift和表面曲率半徑有簡單關係
彎曲的曲率半徑被證實低至0.1m。
開創性實驗
Ashkin 和 Dziedzic輻射壓力上開創性的工作，得知利
用雷射光束使空氣-水表面變形是困難的。而困難的就
是水的表面張力。
探討兩方向：(1)用高能量雷射讓表面變形、(2)用兩相
似表面張力液體。
但結論其方法並不特別被採納
三、實驗設計
 考慮一空氣-液體(水)介面
 必須達到全反射
 水層約0.4~2公分
 最下方放置一金屬鏡
 實驗定在21度
 T1與T2為石英玻璃
 臨界角48.75度
 使用低功率氬雷射
 約20mW
 波長514nm
 入射角49.30度
三、實驗設計
光束一半尺寸
(Rayleigh zone)
w=0.68mm
四、實驗分析
發現的是，當雷射在鏡面反
射時光保持圓形；而在水面
全反射時是完整橢圓。
強度曲線是高斯分布
此曲線的X軸較Y軸方向長
Y軸曲線和原鏡面反射曲線差
不多，意味著就是表面凹陷
像是一個橢圓在水表面
TM偏振光束比TE偏振光束還
要大
四、實驗分析
當入射角度增加時，圖形變化小；角度接近臨界角，
圖形變化大。
改變不同的物理量看結果會不會改變
確認水層厚度沒有影響
確認改變雷射能量從1~20mW也沒影響
凹陷似乎和雷射與液體無關
但表面凹陷和Goos-Hanchen有關係
Goos-Hänchen
Goos-Hänchen shift 指的是
當波行徑時， 具有兩不同折
射率的兩介面處全反射的橫
向位移。
這種橫向位移可解釋成從平
行於介面的波的傳播，或可
以被解釋為與散射過程中因
反射時間延遲發生的波的位
移。
五、實驗數據
我們只考慮X軸的方向變化。(因為Y軸沒什麼變化)
有一Goos-Hänchen shift δ 的縱向位移，沿X軸方向
介面一小表面ds受到光壓力dFr：
其中ein 和 eout是單位向量沿著入射和反射光束
五、實驗數據
式子(1)中

，Pr是最大光壓。
假設δ比x還要小很多，則：
其中ex 和 ez是單位向量沿著x和z。
六、實驗結果
表面凹陷的原因是此光壓
力的存在
會造成如此圖面的彎曲，
推論可能是由於倏逝波
(evanescent wave)存在
在表面上，存在於表面，
此光強度梯度造成介面的
上方的壓力增加，會出現
一個小凹槽。
如圖三
倏逝波(evanescent wave)
根據幾何光學，若發生全反射，
光不會傳到折射面內。但若以電
磁波來看，在全反射介面，電磁
場會透入一小段距離，這個波為
倏逝波(evanescent wave)。
倏逝波是一個不會傳播的波，強
度是成指數衰減的，但是如果在
非常靠近介面的地方，有會吸收
光的物質。
倏逝波可以激發光子
I z  I 0e
z / d
d   / 4 n sin  1  n
2
1
2
2
2
I0為入射光強度、z為縱軸距離、
λ為波長。
六、實驗結果
 介面上有一垂直力，如圖三
 α是Z軸和半徑和表面的夾角， α很小，得到下式：
 R跟 Goos-Hänchen shift式成反比，和w平方成正比。
 力的方向在x-z平面，所以解釋Y為什麼沒變形
 凹陷和功率無關；曲率半徑和表面張力無關
七、實驗驗證
我們紀錄數個入射角的強度分布，來自
TE、TM波。
藉由高斯光束入射，我們計算出曲率半
徑，並繪出

的關係圖。
有了θ，可推出Goos-Hänchen shift δ
圖四(a)可看出，兩個偏振曲線變化差
不多一樣，當δ發散時， θ接近臨界角。
七、實驗驗證
根據圖四(a)，可畫出圖四(b)

的關係
圖
發現兩者是線性獨立
根據式子(4)，將w解出，
得到0.68mm
八、結論
發現液體凹陷與Goos-Hänchen shift δ成反比以及和
雷射功率是無關的。
此實驗研究出一個重要的結論在不同的物理領域，包
括光流體學、生化分析、光電檢測…等，表面凹陷可
以用較慢的方式將鏡頭重構，且是使用非常低功率的
雷射，避免不必要的損壞。
最後，凹陷也可能引導超小型的光學設備，像是顯微
鏡或是光柵。例如，高階Hermite-Gaussian模式，或
是Laguerre-Gaussian模式，能夠創造出新的可重構
性結構和微圖形。
影片
 https://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=Siwr_NIV
NNE
 TOTAL INTERNAL REFLECTION - GUJARATI - 11MB.avi_(480p).mp4
簡報完畢