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UMD物理学家发现由激光制成的“烟环”

UMD物理学家发现由激光制成的“烟环”

  大多数基本物理学教科书都用相当简单的术语来描述激光:光束直接从一个点传播到另一个点,并且除非它碰到镜子或其他反射表面,否则它将继续沿着箭头笔直的路径传播,由于激光束的大小会逐渐扩大光的波性质。但是,这些基本规则在高强度激光照射下无法实现。在适当的条件下,强大的激光束将充当自己的透镜,并“自动聚焦”成更紧密,甚至更强的光束。马里兰大学的物理学家发现,这些自聚焦的激光脉冲还会产生强烈类似于烟圈的光能剧烈旋流。在这些被称为“时空光学涡旋”的甜甜圈形光结构中,

  旋涡与激光脉冲一起以光速行进,并控制其周围的能量流。新发现的光学结构在2016年9月9日的《物理评论》 X上进行了描述。

  研究人员将激光烟圈称为“时空光学涡旋”或STOV。在适当的条件下,光结构无处不在,并且可以用任何强大的激光轻松创建。该团队强烈怀疑STOV可以解释数十年的异常结果和在高强度激光研究领域中无法解释的影响。

  UMD物理学和电气与计算机工程学教授,该研究论文的资深作者霍华德·米尔希贝格(Howard Milchberg)表示:“对激光的研究已经进行了数十年,但事实证明,在整个时间里都存在STOV。”在UMD电子与应用物理研究所(IREAP)。“这是一个始终存在的强大,自发的功能。这种现象是过去30多年来在我们领域所做的大量工作的基础。”

  在以前的研究中,更常规的空间光学涡旋是众所周知的-其中最主要的是“轨道角动量”(OAM)涡旋,其中光能围绕光束传播方向循环,就像水从排水盆中排泄时围绕排水口旋转一样。由于这些涡流会影响中心光束的形状,因此已证明它们对诸如高分辨率显微镜等高级应用很有用。

  “自1990年代末以来,人们就对常规光学涡流进行了研究,以此来改善电讯,显微镜和其他应用。这些涡流允许您通过在光本身中创建小型结构来控制被照明的事物和不发光的事物。”论文的主要作者Nihal Jhajj,是物理研究生,在IREAP进行了这项研究。

  Jhajj补充说:“我们发现的烟环涡流可能比以前已知的光学涡流具有更广泛的应用,因为它们是随时间变化的,这意味着它们与光束一起移动而不是保持静止。” “这意味着这些环对于操纵接近光速运动的粒子可能有用。”

  Jhajj和Milchberg承认,要理解STOV,还需要做更多的工作,包括其物理和理论意义。但是,他们对发现STOV后在基础激光研究中将出现的新机会感到特别兴奋。

  贾吉说:“我们所看到的所有证据都表明STOV是通用的。” “现在我们知道了要寻找的东西,我们认为,看着在介质中传播的高强度激光脉冲而没有看到STOV就像在看着一条河而没有看到涡流一样。”

  最终,STOV可能具有实用的实际应用程序,就像更传统的对应程序一样。例如,OAM涡流已用于设计更强大的受激发射损耗(STED)显微镜。STED显微镜比传统的共聚焦显微镜具有更高的分辨率,部分原因是光学旋涡提供了精确的照明。

  由于STOV具有随光速传播的中心光束的潜力,因此STOV在技术应用中可能具有尚无法预料的优势,包括扩展光纤通信线路有效带宽的潜力。

  米尔奇伯格解释说:“像天使的光环一样,短视不仅是激光的旁观者,”他指出,短视可以控制中心光束的形状和能量流。“这更像是一个充满电的天使的光环,能量在光环和天使的头之间来回传播。我们都非常高兴看到这一发现将带给我们未来。”

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