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Low-Power Laser Deformation of an Air-Liquid Interface

Low-Power Laser Deformation of an Air-Liquid 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

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Low-Power Laser Deformation of an Air-Liquid Interface

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Presentation Transcript

  1. Low-Power Laser Deformation of an Air-Liquid 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

  2. 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

  3. 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

  4. 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。

  5. 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¨nchenshift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。

  6. 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

  7. 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

  8. 三、實驗設計 • 光束一半尺寸(Rayleigh zone) • w=0.68mm

  9. 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

  10. 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

  11. Goos-Hänchen • Goos-Hänchenshift 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。

  12. 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-Hänchenshift 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

  13. 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。

  14. 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

  15. 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 I0為入射光強度、z為縱軸距離、λ為波長。

  16. 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-Hänchenshift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

  17. 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-Hänchenshift 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。

  18. 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

  19. 八、結論 • 發現液體凹陷與Goos-Hänchenshift 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。

  20. 影片 • https://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=Siwr_NIVNNE • TOTAL INTERNAL REFLECTION - GUJARATI - 11MB.avi_(480p).mp4

  21. 簡報完畢

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