中佛羅里達(dá)大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種新型激光束，它不遵循人們長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)光線如何折射和傳播的原則。

這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在最近一期的《自然光子學(xué)》雜志上，可能對(duì)光通信和激光技術(shù)產(chǎn)生巨大影響。

這項(xiàng)研究的主要研究者，UCF光學(xué)與光子學(xué)學(xué)院教授Ayman Abouraddy說(shuō)：“這種新型激光束具有普通激光束所不具備的獨(dú)特特性。”

這些被稱(chēng)為時(shí)空波包的光束在通過(guò)不同材料時(shí)發(fā)生折射，遵循不同的規(guī)律。通常情況下，光在進(jìn)入密度較大的物質(zhì)時(shí)會(huì)慢下來(lái)。

Abouraddy說(shuō)：“相反，時(shí)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(shí)間到達(dá)空間的不同點(diǎn)。”

阿布拉迪說(shuō)：“想想充滿(mǎn)水的玻璃杯中的湯匙在水和空氣相遇的點(diǎn)看起來(lái)如何折斷。”“光在空氣中的速度與光在水中的速度不同。所以，光線在穿過(guò)表面從空氣到水的過(guò)程中彎曲了，所以勺子看起來(lái)是彎曲的。這是由斯涅爾定律描述的一個(gè)著名現(xiàn)象。”

Abouraddy說(shuō)，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(shuō)，這些能力與費(fèi)馬原理相悖，費(fèi)馬原理認(rèn)為光總是以最短路徑傳播。

Abouraddy說(shuō)：“我們?cè)谶@里發(fā)現(xiàn)，無(wú)論光通過(guò)的材料有多么不同，總有一個(gè)時(shí)空波包可以穿過(guò)兩種材料的界面而不改變它的速度。”“所以，無(wú)論介質(zhì)的性質(zhì)是什么，它都會(huì)穿過(guò)界面并繼續(xù)傳播，就好像它不存在一樣。”

對(duì)于通信來(lái)說(shuō)，這意味著信息在這些包中傳播的速度不再受通過(guò)不同密度的不同材料的影響。

Abouraddy說(shuō)：“如果你想象一架飛機(jī)試圖與兩艘潛艇在相同的深度進(jìn)行通信，但一艘離你很遠(yuǎn)，另一艘離你很近，遠(yuǎn)的那艘會(huì)比近的那艘產(chǎn)生更長(zhǎng)的延遲。”“我們發(fā)現(xiàn)，我們可以安排脈沖傳播，讓它們同時(shí)到達(dá)兩艘潛艇。事實(shí)上，發(fā)送脈沖的人甚至不需要知道潛艇在哪里，只要他們?cè)谙嗤纳疃取Ｋ羞@些潛艇都將同時(shí)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。”

Abouraddy的研究小組通過(guò)使用一種被稱(chēng)為空間光調(diào)制器的設(shè)備來(lái)重組光脈沖的能量，使其在空間和時(shí)間中的屬性不再分離，從而創(chuàng)造了時(shí)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(jīng)顯示了該團(tuán)隊(duì)控制時(shí)空波包群速度的能力，包括光學(xué)材料。目前的研究建立在這項(xiàng)工作的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)它們也可以控制時(shí)空波包通過(guò)不同介質(zhì)的速度。這與狹義相對(duì)論并不矛盾，因?yàn)樗m用于脈沖峰值的傳播，而不是光波的底層振蕩。

“我們正在開(kāi)發(fā)的這個(gè)新領(lǐng)域是光束的一個(gè)新概念，”Abouraddy說(shuō)。“因此，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(guān)于光的所有行為實(shí)際上都隱含著一個(gè)假設(shè)，即它在空間和時(shí)間中的屬性是可分離的。所以，我們?cè)诠鈱W(xué)中所知道的都是基于這個(gè)。這是一個(gè)內(nèi)在的假設(shè)。它被認(rèn)為是事物的自然狀態(tài)。但現(xiàn)在，打破了這種基本假設(shè)，我們開(kāi)始在各地看到新的行為。”

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(xué)舊金山分校光學(xué)與光子學(xué)學(xué)院(UCF’s College of optical and Photonics)的研究科學(xué)家，現(xiàn)在在加州的布魯克納米表面公司工作。

Bhaduri在《光學(xué)快報(bào)》和《自然光子學(xué)》等期刊上讀到Abouraddy的研究后，對(duì)他的研究產(chǎn)生了興趣，并于2018年加入了Abouraddy的研究團(tuán)隊(duì)。在這項(xiàng)研究中，他幫助開(kāi)發(fā)了概念，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行了測(cè)量和分析數(shù)據(jù)。

他說(shuō)研究結(jié)果在很多方面都很重要，包括它開(kāi)辟的新的研究途徑。

Bhaduri說(shuō)：“時(shí)空折射違背了我們從費(fèi)馬原理中得出的預(yù)期，并且為塑造光的流動(dòng)和其他波現(xiàn)象提供了新的機(jī)會(huì)。”

耶賽諾夫的工作包括數(shù)據(jù)分析、推導(dǎo)和模擬。他說(shuō)，他之所以對(duì)這項(xiàng)工作感興趣，是因?yàn)樗胩剿鞲嚓P(guān)于量子糾纏的問(wèn)題。量子糾纏是指在量子系統(tǒng)中，兩個(gè)分離良好的物體之間仍然存在聯(lián)系。

耶賽諾夫說(shuō)：“我們相信時(shí)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。”

Abouraddy說(shuō)，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(shè)備的相互作用，此外還將這些新發(fā)現(xiàn)應(yīng)用到物質(zhì)而不是光波上。

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