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不遵循常规折射定律的新型激光束

admin| 2020-12-11 11:13

这些被称为时空波包的光束,在发生折射时遵循不同的规则,即当它们穿过不同的材料时。通常情况下,当光线进入密度更高的材料时,光线会减慢速度。 ...
  

中佛罗里达大学的研究人员开发出一种新型激光束,它不遵循长期以来人们认识的关于光是如何折射和传播的原理。

“这类新的激光束具有普通激光束所不具备的独特特性,” 中佛罗里达大学光学与光子学学院教授、该研究的主要研究员Ayman Abouraddy说。

这些被称为时空波包的光束,在发生折射时遵循不同的规则,即当它们穿过不同的材料时。通常情况下,当光线进入密度更高的材料时,光线会减慢速度。

Ayman Abouraddy说:“相比之下,时空波包可以按照常规的方式呈现,但根本不改变速度,甚至可以在密度更大的材料中异常加速。因此,这些光脉冲可以同时到达不同位置。”

 “想想看,一个装满水的杯子里的勺子在水和空气相遇的地方看起来是弯折的,”Ayman Abouraddy说,“光在空气中的速度不同于光速在水中的速度。因此,光线穿过空气和水之间的表面后弯曲,所以很明显勺子看起来是弯曲的。这是斯内尔定律所描述的一个众所周知的现象。”

Ayman Abouraddy说,尽管斯内尔定律仍然适用,但脉冲速度的根本变化不再适用于新的激光束。他说,这些能力与费马的原理背道而驰,费马的原理认为光总是以最短的路径传播。

 “不过,我们在这里发现的是,无论光通过的材料有多大的不同,总有一个时空波包可以穿过两种材料的界面而不改变其速度,”Ayman Abouraddy说,“因此,无论介质的性质如何,它都会穿过界面,继续下去,就好像它不在那里一样。”

对于通信而言,这意味着在这些包中传输的消息的速度不再受通过不同密度的不同材料的影响。

Ayman Abouraddy说:“如果你想一架飞机试图在同一深度与两艘潜艇通信,但一艘在远处,另一艘在附近,那么距离较远的潜艇将比近处的潜艇产生更长的延迟。我们发现,我们可以应用这种新型的脉冲传播,使它们同时到达两艘潜艇。事实上,现在发送脉冲的人甚至不需要知道潜艇在哪里,只要他们在同一深度。所有这些潜艇都会同时接收脉冲,这样你就可以在不知道它们在哪里的情况下盲目地同步它们。”

Abouraddy的研究小组利用一种被称为空间光调制器的装置来重新组织光脉冲的能量,使其在空间和时间上的特性不再分离,从而创造出时空波包。这使他们能够控制光脉冲的“群速度”,即脉冲峰值传播的速度。

先前的研究表明,该小组有能力控制时空波包的群速度,包括在光学材料中。目前的研究建立在这项工作的基础上,发现它们还可以控制时空波包通过不同介质的速度。这与狭义相对论并不矛盾,因为它适用于脉冲峰值的传播,而不是光波的基本振荡。

“我们正在开发的这个新领域是光束的新概念,”Ayman Abouraddy说,“因此,我们使用这些光束所观察到的一切都揭示了新的行为。我们所知道的关于光的所有行为实际上都默认了一个潜在的假设,即光在空间和时间上的属性是可分离的。所以,我们所知道的光学知识都是基于这个。这是一个固有的假设。这被认为是自然状态。但现在,打破了这一基本假设,我们开始在各地看到新的行为。”

这项研究的共同作者是巴桑塔·巴杜里(Basanta Bhaduri),他是加州大学光学与光子学学院(UCF's College of Optics and Photonics)的前研究科学家,现供职于加州布鲁克纳米表面公司(Bruker Nano Surfaces),以及该学院的博士候选人穆拉特耶瑟诺夫(Murat Yessenov)。

Bhaduri在《光学快报Optics Express》和《自然光子学Nature Photonics》等期刊上读到了Ayman Abouraddy的研究成果,并于2018年加入了教授的研究团队。在这项研究中,他帮助开发了这个概念,设计了实验,并进行了测量和数据分析。

Bhaduri说:“时空折射违背了我们从费马原理中得出的预期,为塑造光流和其他波现象提供了新的机会。”。

耶塞诺夫的职责包括数据分析、推导和模拟。他说,他之所以对这项工作感兴趣,是因为他想探索更多关于纠缠的问题,在量子系统中,纠缠是指两个分离良好的物体仍然相互关联。

Ayman Abouraddy说,下一步的研究包括研究这些新的激光束与激光腔和光纤等设备的相互作用,此外还将这些新的见解应用于物质本身。

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

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