科技新闻 | 不遵循折射定律的新型激光束

研究人员创造了一种不遵循折射定律（斯涅耳定律，Snell' law）的一种新型激光束。该发现在光通信与激光技术领域将会有巨大应用。
英文原文链接^[1]：www.sciencedaily.com/releases/2020/08/200806133511.htm

该发现发表在最近出版的Nature photonics期刊上^[2]，该发现在光通信以及激光技术领域将会有巨大的应用价值。来自中弗罗里达大学（University of Central Florida）的光学与光子学学院的实验项目发起人Ayman Abouraddy教授说“这种新型激光光束表现出同普通激光光束非常独特的光学性能。”该新型光束——时空波包，当它们穿过不同材料发生不同寻常、非常奇特的折射现象。通常情况下，光通过光密（折射率大）介质时，传播速度都会降下来。“相反，时空波包表现出不同的性质，它们可以保持恒定的速度在不同的材料中传播，甚至在光密介质中的速度会更快”Abouraddy说。“这样，脉冲光可以在同一时间到达空间中的不同位点”。

Fig.1 图片摘自文献 [ ^2]

"想象一个放在充满水的玻璃杯中的勺子，在水的与空气的界面处可以很清晰地看见勺子的弯折"，Abouraddy说，“光在空气与水中的速度不同，光通过水与空气的交界面处光线就会发生弯折，这样很明显可以看见勺子的弯折，这个现象可以很明确地通过斯涅耳定律进行解释。”尽管斯涅尔定律依然在应用，但是对于这种新型的激光光束它将不再适用。该种激光束的行为也与描述光走最短路径的费马定律相矛盾。
Abouraddy说：“我们发现，无论光通过多么不同的材料，总是存在一个时空波包可以保持不变的速度通过两个不同材料的界面，所以，无论材料的属性是什么，它都会“无视材料”的存在而直接通过。”对于通信，加载在该波包上的信息的传播速度将不会受到不同传播介质的影响。“想象一下一个飞机想与在海底同样深度的两艘潜艇进行通信，一艘可能较远，另一艘距离较近，这样两艘潜艇在接到信息的时间上会存在一定的延迟，”Abouraddy说。“我们发现我们可以通过调制我们的脉冲来保证它们同一时间到达两艘潜艇，事实上，你不需要知道两艘潜艇在什么位置，只是需要知道它们在同一深度即可。你甚至不需要知道它们的确切位置就可以保证两艘潜艇在同一时间收到信息。”
Abouraddy的课题组利用空间光调制器去创造时空波包，去保证光脉冲的能量在时间与空间上不再独立。这样他们就可以控制脉冲光的群速度，大致来讲就是控制脉冲峰传播的速度。之前的相关工作已经表明该课题组可以控制时空波包在光学材料中的群速度。现在的工作表明他们可以控制时空波包在不同材料中的传播速度。这个并不与狭义相对论相悖，因为他们时利用的是脉冲峰而不是光波本身的波动。
“我们发明的新场是光束的新概念，”Abouraddy说，“所以，我们利用这个新光束揭示了一些新的现象。我们认识光的所有性能都是建立在它的时间与空间性能相互独立的假设基础上。所以，我们的认识是建立在一定的假设基础上的，这被认为是自然的，但是现在我们需要打破这些假设，去看到它全新的性质。”
论文的共同作者Bhaduri说：“时空波包的传播有悖于费马原理的预期而且这将提供一个控制光流动以及其它波现象的新机会。”另一位共同作者Yessenov也说：“时空波包会具有很多有趣的效应以及丰富的应用。”
Abouraddy表示他们接下来将会研究这种新的激光束与激光谐振腔以及光纤等器件之间的相互作用，另外将这些新的概念应用到物质上而不仅仅是光波。

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1. University of Central Florida. "New class of laser beam doesn't follow normal laws of refraction." ScienceDaily. ScienceDaily, 6 August 2020.. ↩

2. Basanta Bhaduri, Murat Yessenov, Ayman F. Abouraddy. Anomalous refraction of optical spacetime wave packets. Nature Photonics, 2020; 14 (7): 416 DOI: 10.1038/s41566-020-0645-6 ↩