佛羅里達(dá)大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)出一種新型的激光束，它不遵循長(zhǎng)期以來(lái)關(guān)于光如何折射和傳播的原理。該發(fā)現(xiàn)最近發(fā)表在《自然光子學(xué)》上，可能對(duì)光通信和激光技術(shù)產(chǎn)生巨大影響。

佛羅里達(dá)大學(xué)光學(xué)與光子學(xué)院的教授、該研究的主要研究者、艾曼·阿布瓦迪（Ayman Abouraddy）說(shuō)：“這種新型的激光束具有與普通激光束沒(méi)有的獨(dú)特特性?！?/p>

光束被稱(chēng)為時(shí)空波包，在折射時(shí)（即穿過(guò)不同的材料時(shí)）遵循不同的規(guī)則。通常，光線(xiàn)進(jìn)入較密的材料時(shí)會(huì)變慢。

阿布瓦迪表示，“相比之下，時(shí)空波包可以安排成以通常的方式運(yùn)行，根本不改變速度，甚至在密度更大的材料中異常地加快速度，” “因此，這些光脈沖可以同時(shí)到達(dá)空間的不同點(diǎn)?！?/p>

“想想裝滿(mǎn)水的玻璃杯里的湯匙在水和空氣相遇的地方看起來(lái)像是破損的，” “空氣中的光速不同于水中的光速。因此，光線(xiàn)在穿過(guò)空氣與水之間的表面后會(huì)彎曲彎曲，因此湯匙顯然會(huì)彎曲。這是眾所周知的斯涅爾定律描述的現(xiàn)象?！?/p>

盡管仍然使用斯涅爾定律，但脈沖速度的根本變化不再適用于新的激光束，這些能力與費(fèi)馬原理（Fermat's Principle）相反，費(fèi)馬原理說(shuō)光總是在行進(jìn)，因此走的路最短。

“盡管我們發(fā)現(xiàn)，無(wú)論光通過(guò)的材料有多么不同，我們始終存在一個(gè)時(shí)空波包，它可以穿越兩種材料的界面而不會(huì)改變其速度，” “因此，不管介質(zhì)的屬性是什么，它都會(huì)穿過(guò)接口并繼續(xù)存在，就像它不在那里一樣?！?/p>

對(duì)于通信，這意味著在這些數(shù)據(jù)包中傳播的消息的速度不再受通過(guò)不同密度的不同材料傳播的影響。

“如果考慮到一架飛機(jī)試圖與兩艘潛艇在同一深度進(jìn)行通信，但其中一艘很遠(yuǎn)，而另一艘則在附近，那么相距較遠(yuǎn)的那一架將比附近的一架更長(zhǎng)?！?“我們發(fā)現(xiàn)我們可以安排脈沖傳播，使它們同時(shí)到達(dá)兩艘潛艇。實(shí)際上，現(xiàn)在發(fā)送脈沖的人甚至不需要知道潛艇在哪里，只要它們?cè)谕簧疃?。所有這些潛艇將同時(shí)接收脈沖，因此可以盲目同步它們，而無(wú)需知道它們?cè)谀睦??！?/p>

該研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)使用一種稱(chēng)為空間光調(diào)制器的設(shè)備來(lái)重組時(shí)空波包，以重組光脈沖的能量，從而使其在空間和時(shí)間上的特性不再分離。這使他們能夠控制光脈沖的“群速度”，這大約是脈沖峰值傳播的速度。

先前的工作表明，該團(tuán)隊(duì)具有控制時(shí)空波包的群速度的能力。當(dāng)前的研究基于這項(xiàng)工作，發(fā)現(xiàn)它們還可以控制時(shí)空波包通過(guò)不同媒體的速度。這與狹義相對(duì)論沒(méi)有任何矛盾，因?yàn)樗m用于脈沖峰值的傳播，而不是適用于光波的基本振蕩。

阿布瓦迪說(shuō)：“我們正在開(kāi)發(fā)的這個(gè)新領(lǐng)域光束的新概念，” “結(jié)果，我們研究使用的這些光束揭示了新的行為。我們所知的關(guān)于光的所有行為實(shí)際上都隱含著一個(gè)潛在的假設(shè)，即它在空間和時(shí)間上的特性是可分離的。因此，在光學(xué)方面我們所知道的就是基于這是一個(gè)內(nèi)在的假設(shè)。它被視為自然狀態(tài)。但是現(xiàn)在，這一基本假設(shè)被打破，我們開(kāi)始在各處看到新的行為?！?/p>

“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?！痹撗芯康南乱徊焦ぷ靼ㄑ芯窟@些新的激光束與諸如激光腔和光纖之類(lèi)的設(shè)備之間的相互作用，以及將這些新見(jiàn)解應(yīng)用于物質(zhì)。

參考：Anomalous refraction of optical spacetime wave packets, Nature Photonics (2020). DOI: 10.1038/s41566-020-0645-6