在自由空間中 激光束的光波在完美的直線上傳播

波浪并不總是均勻地傳播到所有方向，但可以形成顯著的“分支流動(dòng)”。在TU Wien(維也納)，現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出一種控制這種現(xiàn)象的方法。

在自由空間中，激光束的光波在完美的直線上傳播。然而，在某些情況下，波浪的行為可能會(huì)復(fù)雜得多。在存在無序，不規(guī)則的環(huán)境中會(huì)出現(xiàn)一種非常奇怪的現(xiàn)象：入射波分裂成若干路徑，它以復(fù)雜的方式分支，到達(dá)一些高強(qiáng)度的地方，同時(shí)幾乎完全避開其他地方。

這種“分支流”首先在2001年被觀察到.TU Wien(維也納)的科學(xué)家們現(xiàn)在開發(fā)了一種利用這種效應(yīng)的方法。這種新方法的核心思想是僅在一個(gè)預(yù)先選定的分支上發(fā)送波形信號(hào)，這樣波在其他地方幾乎不可察覺。結(jié)果現(xiàn)已發(fā)表在PNAS期刊上。

從量子粒子到海嘯

“最初，這種效應(yīng)是在研究電子通過微小結(jié)構(gòu)作為量子波移動(dòng)時(shí)發(fā)現(xiàn)的，”TU Wien理論物理研究所的Stefan Rotter教授說。“然而，這種結(jié)構(gòu)永遠(yuǎn)不會(huì)完美，它們總會(huì)帶來某些不完美之處;而且令人驚訝的是，這些缺陷導(dǎo)致電子波分裂成分支 - 這種效應(yīng)被稱為分支流動(dòng)。”

很快，事實(shí)證明，這種波現(xiàn)象不僅發(fā)生在量子物理學(xué)中。原則上，它可以在所有類型的波浪和完全不同的長(zhǎng)度尺度上發(fā)生。例如，如果將激光束發(fā)送到肥皂泡的表面，它們會(huì)分裂成幾個(gè)部分光束，就像海洋中的海嘯波一樣：后者不會(huì)經(jīng)常在海洋中傳播，而是以復(fù)雜的方式傳播，分支模式取決于波紋海洋海床的隨機(jī)形狀。結(jié)果，可能發(fā)生一個(gè)遙遠(yuǎn)的島嶼被海嘯襲擊得非常嚴(yán)重，而鄰近的島嶼只能通過更弱的波浪前線到達(dá)。

“我們想知道這些波是否可以通過這樣的方式進(jìn)行操作，即它們只沿著一個(gè)選定的分支行進(jìn)，而不是沿著完全不同方向的整個(gè)分支網(wǎng)絡(luò)傳播，”AndreBrandstötter(TU Wien)說，該出版物的作者。“事實(shí)證明，確實(shí)可以以受控的方式定位各個(gè)分支機(jī)構(gòu)。”

分析和適應(yīng)

新過程只需兩個(gè)步驟：首先，允許wave像往常一樣在所有可能的路徑上分支出來。在高強(qiáng)度到達(dá)的其中一個(gè)位置，詳細(xì)測(cè)量波。然后可以使用在TU Wien開發(fā)的方法來計(jì)算波必須在原點(diǎn)處成形的方式，以便在第二步中可以沿著一個(gè)選定路徑發(fā)送波，同時(shí)避開所有其他路徑。

“我們使用數(shù)值模擬來展示如何找到一種行為與我們想要的完全相同的波形。這種方法可以使用各種不同的方法來應(yīng)用，”Stefan Rotter說。“您可以使用通過特殊鏡子系統(tǒng)調(diào)整的光波或使用耦合揚(yáng)聲器系統(tǒng)產(chǎn)生的聲波來實(shí)現(xiàn)它。海洋中的聲納波也是一個(gè)可能的應(yīng)用領(lǐng)域。無論如何，必要的技術(shù)已經(jīng)有了。“

利用這種新方法，所有這些不同類型的波可以沿著從復(fù)雜路徑網(wǎng)絡(luò)中預(yù)先選擇的單個(gè)軌跡發(fā)出。“這條軌跡甚至不必是直的，”AndreBrandstötter解釋道。“許多可能的路徑都是彎曲的 - 周圍環(huán)境的不規(guī)則就像一組鏡頭一樣，波浪一次又一次地聚焦和偏轉(zhuǎn)。”

甚至可以沿著這些特殊路徑發(fā)送脈沖信號(hào)，從而可以有針對(duì)性地傳輸信息。這可以保證波信號(hào)準(zhǔn)確到達(dá)應(yīng)該接收的位置; 在其他地方很難被發(fā)現(xiàn)，這使得竊聽變得更加困難。