清水出彩虹∗

孙天娇尚雅轩钱轩姬扬

1)(中国科学院半导体研究所,半导体超晶格国家重点实验室,北京 100083)

2)(中国科学院大学材料科学与光电技术学院,物理科学学院,北京 100049)

彩虹是自然界常见的光学现象,来自于水滴对太阳光的折射效应.彩虹是非相干的光学现象,是每个水滴折射光相加的结果.不同颜色的光,水的折射率不一样,进去的是白光,出来的就是彩虹.用白光照射水里的气泡,同样会因为折射效应而形成彩虹.

利用白光脉冲光纤激光器发出的高强度的、高定向性的白光(重复频率1 MHz,本文使用的最大平均功率约0.5 W),聚焦地照射液体,可以产生定向的、多级的彩色干涉环,这就是“相干彩虹”(图1;补充材料视频S1(online)显示了样品为水时,随着白光光强的增大,成像屏上的图案逐渐变大,出现越来越多的圆环;补充材料视频S2(online)显示了样品为水时,光强保持不变,打开快门后,成像屏很快出现了相干彩虹).把550 nm的干涉滤光片(带宽为10 nm)放在样品前方,成像屏上就只有一个圆斑(图2(a)).把同一个干涉滤光片放在样品后方,成像屏上就出现圆环,中间是黑的(图2(b)).随着白光激光器功率的增强,圆环逐渐变大,并出现了更多的圆环(图2(c)—(f)).

脉冲激光加热在水里产生了大小相仿的气泡,每个气泡成为散射源.气泡散射了白光,使得图案中心变黑.单个气泡可能产生干涉图案[1],但是,空间位置随机的气泡无法彼此干涉.在强光的作用下,空间自相位调制效应[2]产生了相干彩虹.简单地说,高强度的激光场把气泡放到了合适的位置上(也可能由于非线性效应[2]或者电离产生的自由电子[3]带来的折射率修正,具体机理尚需进一步探究),使得它们能够相长地干涉.

在脉冲激光的作用下,许多大小相仿、位置合适的气泡发生相干干涉,产生了高定向性的多级干涉环——相干彩虹(图1(a)中最外圈光环的张角大约是7°).水平入射光产生了卵圆形的干涉图案,上下是不对称的,因为气泡在重力作用下不再是球对称的,而是轴对称的,气泡的分布也会因为重力的作用而具有上下不对称性.把白光垂直地照进水里(沿着气泡的对称轴),干涉图案就非常圆了,如图3所示(其他波长滤光结果见补充材料图S1和图S2(online)).

图1(a)气泡产生的相干彩虹,最外圈光环的张角大约是7°;(b)装有水的玻璃样品盒;(c)图(b)的局部放大图,可以看到激光加热产生的气泡导致了光的散射(Tyndall现象)以及略有发散的前向光(相干彩虹);(d)实验装置示意图,包括白光脉冲光纤激光器(WL)、焦距约5cm的凸透镜(L)、样品盒(S)和成像屏(IS,距离样品约50cm)Fig.1.(a)Coherent rainbows are many directional and colorful rings,and the angle of the out-most ring is ∼ 7°;(b)glass cell filled with water;(c)enlarged picture of(b),and Tyndall effect(due to bubbles)and slightly divergent beam of light(sideview of coherent rainbows)are clearly seen;(d)experimental setup,including a white-light pulsed fiber laser(WL),a lens with focal length∼5cm,a sample cell(S),and an image screen(IS,∼50cm away from the sample).

图3(a)由下而上地照射样品,得到了更加对称的相干彩虹;(b)图(a)经过600 nm干涉滤光片(带宽10 nm)滤光后的结果;(c)图1(a)的600 nm滤光结果Fig.3.(a)Shine the sample from bottom to top and get more circular patterns of coherent rainbows;(b)the same picture as(a)with an 600 nm interference filter;(c)the same picture as Fig.1(a)with an 600 nm interference filter.

用单色激光照射液晶[4]或石墨烯[5]悬浊液,都看到过类似的干涉环,但是照射纯净的溶剂,并没有看到干涉环[5].我们先是在石墨的丙酮悬浊液中观察到了空间自相位调制导致的干涉图案,继而用白光激光在溶剂(无论水、丙酮还是汽水)里都观察到了这种相干彩虹,尽管在细节上略有不同(参见补充材料图S3(online)).

脉冲式白光的瞬时功率很大、谱线很宽,液体里杂质(或微小气泡)总能吸收某些波长的光,局部加热液体而产生气泡,脉冲式激光产生的气泡大小相仿,高强度的激光场把气泡放到了合适的位置,就可以相长干涉了.

我们相信,任何透明液体都可以产生相干彩虹.

感谢中国科学院物理研究所赵继民研究员和中国科学院半导体研究所孙宝权研究员的讨论,感谢中国科学院半导体研究所孙明飞提供的帮助.

[1]Li J M,Wei J Y,Wang X Q,Nan J Y,Yang F 2007J.Henan Normal Univ.(Nat.Sci.)35 98(in Chinese)[李建民,魏建宇,王秀清,南景宇,杨富 2007河南师范大学学报(自然科学版)35 98]

[2]Yu Z H,Weng Y X 2010Sci.China:Phys.Mech.Astron.53 1060

[3]Wu Y L,Wu Q,Sun F,Cheng C,Meng S,Zhao J M 2015PNAS112 11800

[4]Durbin S D,Arakelian S M,Shen Y R 1981Opt.Lett.6 411

[5]Wu R,Zhang Y L,Yan S C,Bian F,Wang WL,Bai X D,Lu X H,Zhao J M,Wang A G 2011Nano Lett.11 5159