时空折射违反了费马原理：新型激光束不遵循正常的折射定律

Nature Photonics中的一项新研究详细介绍了UCF开发的激光束的独特特性。

通过这些数据包传播的消息的速度不再受通过不同密度的不同材料传播的影响。

中央佛罗里达大学的研究人员已经开发出一种新型的激光束，它没有遵循长期以来关于光如何折射和传播的原理。该发现最近发表在《自然光子学》上，可能对光通信和激光技术产生巨大影响。

UCF光学与光子学院教授，​​该研究的主要研究者Ayman Abouraddy说：“这种新型的激光束具有普通激光束无法共享的独特特性。”

光束被称为时空波包，在折射时（即穿过不同的材料时）遵循不同的规则。通常，光线进入较密的材料时会变慢。

“相反，时空波包可以安排成以通常的方式运行，根本不改变速度，甚至在密度更大的材料中异常加快速度，” Abouraddy说。“因此，这些光脉冲可以同时到达空间中的不同点。”

“想想装满水的玻璃杯中的汤匙在水和空气汇合处看起来如何折断，” Abouraddy说。空气中的光速不同于水中的光速。因此，光线穿过空气与水之间的表面后弯曲成弯曲状，因此勺子看起来显然弯曲了。这是斯涅尔定律所描述的一种众所周知的现象。

尽管仍然使用斯涅尔定律，但脉冲速度的根本变化不再适用于新的激光束，Abouraddy说。他说，这些能力与费马原理（Fermat's Principle）相反，费马原理说光总是在行进，以至于它走的路最短。

“尽管我们发现，无论光通过的材料有多么不同，我们始终存在一个时空波包，它可以穿越两种材料的界面而不会改变其速度，” Abouraddy说。“因此，无论介质的属性是什么，它都会穿过界面并继续存在，就像它不在那里一样。”

对于通信，这意味着在这些数据包中传播的消息的速度不再受通过不同密度的不同材料传播的影响。

“如果您想到一架飞机试图与两艘相同深度的潜艇进行通信，但其中一艘离您很远，而另一艘则在附近，那么相距较远的一架将比附近的一艘潜艇更长的延迟时间，” Abouraddy说。“我们发现我们可以安排脉冲传播，使它们同时到达两艘潜艇。实际上，现在发射脉冲的人甚至不需要知道潜艇在哪里，只要它们在同一深度即可。所有这些潜艇将同时接收脉冲，因此您可以盲目同步它们，而无需知道它们在哪里。”

Abouraddy的研究小组通过使用一种称为空间光调制器的设备来重组时空波包，以重组光脉冲的能量，从而使其空间和时间特性不再分离。这使他们能够控制光脉冲的“群速度”，大约是脉冲峰值传播的速度。

先前的工作表明，该团队具有控制时空波包（包括光学材料）的群速度的能力。当前的研究基于这项工作，发现它们还可以控制时空波包通过不同媒体的速度。这与狭义相对论没有任何矛盾，因为它适用于脉冲峰值的传播，而不适用于光波的基本振荡。

“我们正在开发的这个新领域是光束的新概念，” Abouraddy说。“结果，我们使用这些光束所做的一切探索都揭示了新的行为。我们所知的关于光的所有行为实际上都隐含着一个潜在的假设，即它在空间和时间上的特性是可分离的。因此，我们在光学领域所了解的就是基于此。这是一个内在的假设。这是自然的事态。但是现在，打破了这一基本假设，我们开始在各处看到新的行为。”

该研究的共同作者是UCF大学光学与光子学院的首席作者，前研究科学家Basanta Bhaduri，现在是加州的Bruker Nano Surfaces，以及该学院的博士候选人Murat Yessenov。

巴杜里（Bhaduri）在光学快报（Optics Express）和自然光子学（Nature Photonics）等期刊上阅读了Abouraddy的研究后就对它产生了兴趣，并于2018年加入了该教授的研究团队。在研究中，他帮助开发了概念并设计了实验，并进行了测量和分析数据。

他说，研究结果在许多方面都很重要，包括新的研究途径。

“时空折射违背了我们从费马原理得出的期望，并为塑造光流和其他波动现象提供了新的机会，”巴杜里说。

Yessenov的角色包括数据分析，推导和模拟。他说，他希望对纠缠进行更多的探索，从而对这项工作产生了兴趣。纠缠在量子系统中是两个完全分离的物体之间仍然存在联系的时候。

Yessenov说：“我们相信，时空波包可以提供更多的功能，使用它们可以揭示更多有趣的效果。”

Abouraddy表示，这项研究的下一步工作包括研究这些新激光束与激光腔和光纤等设备的相互作用，以及将这些新见解应用于物质而非光波。

参考：自然光子学杂志，Basanta Bhaduri，Murat Yessenov和Ayman F. Abouraddy的“光学时空波包的异常折射”，2020年6月22日，DOI：
10.1038 / s41566-020-0645-6

该研究由美国海军研究办公室资助。

Bhaduri在印度马德拉斯的印度技术学院获得了物理学（应用光学）博士学位。他曾是UCF的研究科学家，之后才移居加利福尼亚的Bruker Nano Surfaces，在那里他是一名高级光学工程师。

Yessenov在哈萨克斯坦的纳萨巴耶夫大学（Nazabayev University）获得物理学学士学位，并于2017年加入Abouraddy小组。

Abouraddy拥有波士顿大学电气工程博士学位，并曾在麻省理工学院做博士后研究。他于2008年加入UCF。