物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)由激光制成的煙圈

大多數(shù)基本物理教科書(shū)都用相當(dāng)簡(jiǎn)單的術(shù)語(yǔ)描述激光：光束直接從一個(gè)點(diǎn)傳播到另一個(gè)點(diǎn)，除非它撞擊鏡子或其他反射表面，否則將繼續(xù)沿著箭頭直線路徑行進(jìn)，由于波的性質(zhì)。但這些基本規(guī)則在高強(qiáng)度激光下熄滅。

在適當(dāng)?shù)臈l件下，強(qiáng)大的激光束將作為自己的鏡頭，并“自我聚焦”成更緊湊，更強(qiáng)烈的光束。馬里蘭大學(xué)的物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這些自聚焦激光脈沖還會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的光能漩渦，與煙環(huán)非常相似。在這些被稱(chēng)為“時(shí)空光學(xué)渦旋”的環(huán)形光結(jié)構(gòu)中，光能流過(guò)環(huán)的內(nèi)部，然后環(huán)繞外部環(huán)回。

渦流以激光脈沖的速度沿光速傳播并控制其周?chē)哪芰苛?。新發(fā)現(xiàn)的光學(xué)結(jié)構(gòu)在2016年9月9日出版的Physical Review X期刊中有所描述。

研究人員將激光煙霧環(huán)命名為“時(shí)空光學(xué)渦旋”或STOV。在適當(dāng)?shù)臈l件下，光結(jié)構(gòu)無(wú)處不在，并且可以使用任何強(qiáng)大的激光輕松創(chuàng)建。該團(tuán)隊(duì)強(qiáng)烈懷疑STOV可以解釋幾十年來(lái)在高強(qiáng)度激光研究領(lǐng)域的異常結(jié)果和無(wú)法解釋的影響。

“激光已經(jīng)研究了幾十年，但事實(shí)證明，STOV一直都在我們的鼻子底下，” UMD 物理和電氣和計(jì)算機(jī)工程教授，該研究論文的高級(jí)作者Howard Milchberg說(shuō)道，他也預(yù)約了在UMD 電子與應(yīng)用物理研究所(IREAP)。“這是一個(gè)強(qiáng)大的，自發(fā)的功能，一直存在。這種現(xiàn)象在過(guò)去的30年里在我們的領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)生了很多。“

更常規(guī)的空間光學(xué)渦旋在先前的研究中是眾所周知的 - 其中主要是“軌道角動(dòng)量”(OAM)渦流，其中光能在光束傳播方向周?chē)h(huán)，就像水從盥洗盆排空時(shí)水繞旋流一樣旋轉(zhuǎn)。由于這些渦流可以影響中心光束的形狀，因此它們已被證明可用于高分辨率顯微鏡等高級(jí)應(yīng)用。

“自20世紀(jì)90年代后期以來(lái)，人們一直在研究傳統(tǒng)的光學(xué)渦旋，作為改進(jìn)電信，顯微鏡和其他應(yīng)用的一種方法。通過(guò)在燈光本身中創(chuàng)建小結(jié)構(gòu)，這些漩渦可以讓你控制被照亮和不被照亮的東西，“該論文的主要作者Nihal Jhajj說(shuō)道，他是在IREAP進(jìn)行研究的物理研究生。

“我們發(fā)現(xiàn)的煙圈漩渦可能比以前已知的光學(xué)渦旋具有更廣泛的應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兙哂袝r(shí)間動(dòng)態(tài)，這意味著它們與光束一起移動(dòng)而不是保持靜止，”Jhajj補(bǔ)充道。“這意味著環(huán)可能有助于操縱在光速附近移動(dòng)的粒子。”

Jhajj和Milchberg承認(rèn)，需要做更多的工作來(lái)理解STOV，包括它們的物理和理論含義。但他們對(duì)發(fā)現(xiàn)STOV后基礎(chǔ)激光研究中出現(xiàn)的新機(jī)遇特別興奮。

“我們所看到的所有證據(jù)都表明STOV是普遍的，”Jhajj說(shuō)。“現(xiàn)在我們知道要尋找什么了，我們認(rèn)為觀察通過(guò)介質(zhì)傳播的高強(qiáng)度激光脈沖而不是看到STOV就像看河流而不是看到漩渦和潮流一樣。”

最終，STOV可能具有有用的實(shí)際應(yīng)用程序，例如更傳統(tǒng)的應(yīng)用程序。例如，OAM渦流已被用于設(shè)計(jì)更強(qiáng)大的受激發(fā)射損耗(STED)顯微鏡。STED顯微鏡的分辨率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的共聚焦顯微鏡，部分原因在于光學(xué)渦旋提供的精確照明。

由于具有以中心光束以光速行進(jìn)的潛力，STOV在技術(shù)應(yīng)用中可能具有尚未預(yù)見(jiàn)的優(yōu)勢(shì)，包括可能擴(kuò)展光纖通信線路的有效帶寬。

“STOV不僅僅是激光束的旁觀者，就像天使的光環(huán)一樣，”Milchberg解釋道，并指出STOV能夠控制中心光束的形狀和能量流。“它更像是一個(gè)帶電的天使的光環(huán)，能量在光環(huán)和天使的頭部之間來(lái)回射擊。我們都很高興看到這一發(fā)現(xiàn)將來(lái)會(huì)帶給我們什么。“