佛羅里達(dá)大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種新型的激光束，它不遵循長期以來關(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：“這種新型的激光束具有與普通激光束沒有的獨(dú)特特性?！?/p>

光束被稱為時(shí)空波包，在折射時(shí)（即穿過不同的材料時(shí)）遵循不同的規(guī)則。通常，光線進(jìn)入較密的材料時(shí)會變慢。

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)。”

“想想裝滿水的玻璃杯里的湯匙在水和空氣相遇的地方看起來像是破損的，” “空氣中的光速不同于水中的光速。因此，光線在穿過空氣與水之間的表面后會彎曲彎曲，因此湯匙顯然會彎曲。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)馬原理說光總是在行進(jìn)，因此走的路最短。

“盡管我們發(fā)現(xiàn)，無論光通過的材料有多么不同，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改變其速度，” “因此，不管介質(zhì)的屬性是什么，它都會穿過接口并繼續(xù)存在，就像它不在那里一樣?！?/p>

對于通信，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。” “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，只要它們在同一深度。所有這些潛艇將同時(shí)接收脈沖，因此可以盲目同步它們，而無需知道它們在哪里?！?/p>

該研究團(tuán)隊(duì)通過使用一種稱為空間光調(diào)制器的設(shè)備來重組時(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)空波包通過不同媒體的速度。這與狹義相對論沒有任何矛盾，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：“我們正在開發(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。”該研究的下一步工作包括研究這些新的激光束與諸如激光腔和光纖之類的設(shè)備之間的相互作用，以及將這些新見解應(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