Возбуждение мод металлического капилляра сфокусированным светом: теория и оценки возможностей увеличения сигналов комбинационного рассеяния
Российский научный фонд (РНФ), Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами, 24-23-00194
Коузов А.П.
1
1Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, Россия

Email: a.kouzov@spbu.ru
Поступила в редакцию: 26 ноября 2025 г.
В окончательной редакции: 17 марта 2026 г.
Принята к печати: 7 апреля 2026 г.
Выставление онлайн: 16 октября 2026 г.
Теоретически проанализированы возможности, открываемые использованием металлических капилляров (МК) для усиления сигналов комбинационного рассеяния (КР) света. Детально изучены характеристики возбуждения E- и H-мод круглого МК при фокусировке монохроматического луча на входное отверстие капилляра. Показано, что в мультимодовом режиме число возбуждаемых E1m- и H1m-мод существенно ограничивается числом осцилляций поля на дифракционной картине, возникающей на входе МК. По этой причине использование малых численных апертур сильно снижает число мод, участвующих в переносе световой энергии. Предложенная модификация метрики для расчета модовых амплитуд унифицирует расчет характеристик эванесцентных и распространяющихся волн и дает новое правило сумм для корней производной J1 (x) функции Бесселя. Построены поверхности пропускания как функции номера моды m и безразмерной комбинации поверхностного импеданса, внутреннего радиуса МК и длины оптического пути L. Эти данные сильно упрощают нахождение оптимального фокусного расстояния и дают возможность быстро рассчитать эффективную длину L для произвольного МК. По нашим оценкам H-волны при возбуждении светом с λ=0.5 μm могут распространяться в идеальном серебряном МК с внутренним радиусом 1 mm почти на 15 m, что намного превосходит длину распространения E-волн. При использовании такого МК в качестве оптической кюветы сигнал КР по сравнению со стандартной схемой возбуждения фокусировкой падающего луча в открытом пространстве может быть увеличен до трех десятичных порядков. Ключевые слова: металлические световоды, оптическое возбуждение мод, спектроскопия комбинационного рассеяния.
- V.V. Vitkin, A.P. Kouzov, N.N. Filippov, E.E. Popov, I.K. Chubchenko. In: Proc. of the Int. Conf. Laser Optics (Saint Petersburg, Russian Federation, 2024), p. 305. DOI: 10.1109/ICLO59702.2024.10624059
- G.E. Walrafen, J. Stone. Appl. Spectrosc., 26, 585 (1972)
- P. Russell. Science, 299, 358 (2003). DOI: 10.1126/science.1079280
- A.D. Pryamikov, A.V. Gladyshev, A.F. Kosolapov, I.A. Bufetov. Physics - Uspekhi, 67, 129156 (2024). DOI: 10.3367/UFNe.2023.12.039616
- M.P. Buric, K.P. Chen, J. Falk, S.D. Woodruff. Appl. Opt., 47, 4255 (2008). DOI: 10.1364/AO.47.004255
- W.F. Pearman, J.C. Carter, S.M. Angel, J. Chan Wai-Jeung. Appl. Spectrosc., 62, 285 (2008)
- M.P. Buric, K.P. Chen, J. Falk, R. Velez, S.D. Woodruff. Proc. SPIE, 7316, 731608 (2009). DOI: 10.1117/12.818746
- S. Rupp, T.M. James, H.H. Telle, M. Schlosser, B. Bornschein. Fusion Sci. Technol., 67, 547 (2015). DOI: 10.13182/FST14-T76
- S. Rupp, A. Off, H. Seitz-Moskaliuk, T.M. James, H.H. Telle. Sensors, 15, 23110 (2015). DOI: 10.3390/s150923110
- E.A.T. Marcatili, R.A. Schmeltzer. Bell Syst. Tech. J., 43, 1783 (1964)
- B. Bowden, J.A. Harrington, O. Mitrofanov. Appl. Phys. Lett., 93, 181104 (2008). DOI: 10.1063/1.3013585
- C.A. Leal-Sevillano, J.A. Ruiz-Cruz, J.R. Montejo-Garai, J.M. Rebolla. IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 59, 3013 (2011)
- Y. Kato, M. Miyagi. IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 40, 679 (1992)
- F.E. Vermeulen, A.M. Robinson, C.R. James, J.N. McMullin. IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 42, 1932 (1994)
- L. Novotny, C. Hafner. Phys Rev. E, 50, 4094 (1994). DOI: 10.1103/PhysRevE.50.4094
- Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Теоретическая физика, т. 8 (Электродинамика сплошных сред) (Наука, Москва, 1982), гл. 10
- L.B. Felsen, V. Marcuvitz. Radiation and Scattering of Waves (Wiley \& Sons, Hoboken, 2003)
- A.W. Snyder, J.D. Love. Optical Waveguide Theory (Chapman and Hall, London, 1983), ch. 11
- M. Born, E. Wolf. Principles of Optics (Cambridge University Press, Cambridge, 1999)
- G.N. Watson. A Treatise on the Theory of Bessel Functions (Cambridge University Press, Cambridge, 1945)
- S. Babar, J.H. Weaver. Appl. Optics, 54, 477 (2015). DOI: 10.1364/AO.54.000477
- P.B. Johnson, R.W. Christy. Phys. Rev. B, 6, 4370 (1972). DOI: 10.1103/PhysRevB.6.4370
Подсчитывается количество просмотров абстрактов ("html" на диаграммах) и полных версий статей ("pdf"). Просмотры с одинаковых IP-адресов засчитываются, если происходят с интервалом не менее 2-х часов.
Дата начала обработки статистических данных - 27 января 2016 г.