新型激光束不遵循折射定律

中佛羅里達大學的研究人員開發了一種新型激光束,它不遵循人們長期以來對光線如何折射和傳播的原則。

這一發現發表在最近一期的《自然光子學》雜志上,可能對光通信和激光技術產生巨大影響。

這項研究的主要研究者,UCF光學與光子學學院教授Ayman Abouraddy說:“這種新型激光束具有普通激光束所不具備的獨特特性?!?/p>

這些被稱為時空波包的光束在通過不同材料時發生折射,遵循不同的規律。通常情況下,光在進入密度較大的物質時會慢下來。

Abouraddy說:“相反,時空波包可以按照通常的方式排列,不改變速度,甚至在密度更大的材料中異常加速。因此,這些光脈沖可以在同一時間到達空間的不同點?!?/p>

阿布拉迪說:“想想充滿水的玻璃杯中的湯匙在水和空氣相遇的點看起來如何折斷?!薄肮庠诳諝庵械乃俣扰c光在水中的速度不同。所以,光線在穿過表面從空氣到水的過程中彎曲了,所以勺子看起來是彎曲的。這是由斯涅爾定律描述的一個著名現象?!?/p>

Abouraddy說,盡管斯涅爾定律仍然適用,但脈沖速度的潛在變化不再適用于新的激光束。他說,這些能力與費馬原理相悖,費馬原理認為光總是以最短路徑傳播。

Abouraddy說:“我們在這里發現,無論光通過的材料有多么不同,總有一個時空波包可以穿過兩種材料的界面而不改變它的速度?!薄八?,無論介質的性質是什么,它都會穿過界面并繼續傳播,就好像它不存在一樣?!?/p>

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對于通信來說,這意味著信息在這些包中傳播的速度不再受通過不同密度的不同材料的影響。

Abouraddy說:“如果你想象一架飛機試圖與兩艘潛艇在相同的深度進行通信,但一艘離你很遠,另一艘離你很近,遠的那艘會比近的那艘產生更長的延遲?!薄拔覀儼l現,我們可以安排脈沖傳播,讓它們同時到達兩艘潛艇。事實上,發送脈沖的人甚至不需要知道潛艇在哪里,只要他們在相同的深度。所有這些潛艇都將同時接收到脈沖,所以你可以在不知道它們所在位置的情況下盲目同步它們?!?/p>

Abouraddy的研究小組通過使用一種被稱為空間光調制器的設備來重組光脈沖的能量,使其在空間和時間中的屬性不再分離,從而創造了時空波包。這使得他們能夠控制光脈沖的“群速度”,也就是脈沖峰值傳播的速度。

之前的工作已經顯示了該團隊控制時空波包群速度的能力,包括光學材料。目前的研究建立在這項工作的基礎上,發現它們也可以控制時空波包通過不同介質的速度。這與狹義相對論并不矛盾,因為它適用于脈沖峰值的傳播,而不是光波的底層振蕩。

“我們正在開發的這個新領域是光束的一個新概念,”Abouraddy說?!耙虼?,我們使用這些光束觀察的每件事都揭示了新的行為。我們所知道的關于光的所有行為實際上都隱含著一個假設,即它在空間和時間中的屬性是可分離的。所以,我們在光學中所知道的都是基于這個。這是一個內在的假設。它被認為是事物的自然狀態。但現在,打破了這種基本假設,我們開始在各地看到新的行為?!?/p>

該研究的共同作者是巴桑塔·巴杜里(Basanta Bhaduri)和穆拉特·耶賽諾夫(Murat Yessenov)。巴桑塔·巴杜里是第一作者,曾是加州大學舊金山分校光學與光子學學院(UCF’s College of optical and Photonics)的研究科學家,現在在加州的布魯克納米表面公司工作。

Bhaduri在《光學快報》和《自然光子學》等期刊上讀到Abouraddy的研究后,對他的研究產生了興趣,并于2018年加入了Abouraddy的研究團隊。在這項研究中,他幫助開發了概念,設計了實驗,并進行了測量和分析數據。

他說研究結果在很多方面都很重要,包括它開辟的新的研究途徑。

Bhaduri說:“時空折射違背了我們從費馬原理中得出的預期,并且為塑造光的流動和其他波現象提供了新的機會?!?/p>

耶賽諾夫的工作包括數據分析、推導和模擬。他說,他之所以對這項工作感興趣,是因為他想探索更多關于量子糾纏的問題。量子糾纏是指在量子系統中,兩個分離良好的物體之間仍然存在聯系。

耶賽諾夫說:“我們相信時空波包可以提供更多的功能,使用它們可以揭示更多有趣的效果?!?/p>

Abouraddy說,下一步的研究包括研究這些新的激光束與激光腔和光纖等設備的相互作用,此外還將這些新發現應用到物質而不是光波上。

相關鏈接:https://phys.org/news/2020-08-class-laser-doesnt-laws-refraction.html 

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