在許多情況下，光沿著直線傳播，但會產(chǎn)生有趣的時空光學(xué)渦旋！

在許多情況下，光沿著直線傳播，沿途沒有發(fā)生太多事情。但光也可以隱藏復(fù)雜的模式和行為，只有細(xì)心的觀察者才能發(fā)現(xiàn)這些模式和行為。這是可能的，因為光的行為就像波，其特性在幾個有趣的現(xiàn)象中發(fā)揮了作用。其中一個這樣的屬性是相位，像起伏的波浪，當(dāng)兩個光波相遇并且不同相位時，它們可能會相互干擾，結(jié)合在一起形成錯綜復(fù)雜的圖案。

相位是光波如何相互作用以及能量如何在光束或脈沖中流動所不可或缺的。馬里蘭大學(xué)研究人員在UMD物理學(xué)教授霍華德·米爾奇伯格(Howard Milchberg)的領(lǐng)導(dǎo)下，發(fā)現(xiàn)了光的相位，可以形成光學(xué)旋渦的新方法，即被稱為時空光學(xué)渦旋(STOV)的模式。在發(fā)表在《光學(xué)》期刊上的研究中，研究人員捕捉到了這些位于空間和時間中的相位渦旋的第一張照片，開發(fā)了一種觀察超快光脈沖的新方法。

每個時空光學(xué)渦旋都是一個具有特定強(qiáng)度模式（能量集中在哪里）和相位的光脈沖。在米爾奇伯格和合作者準(zhǔn)備的時空光學(xué)渦旋中，強(qiáng)度在空間和時間上形成了一個環(huán)路，研究人員將其描述為邊緣優(yōu)先飛行的甜甜圈：如果你能看到脈沖向你飛來，你會看到甜甜圈的邊緣，而不是洞（請參見下面最左側(cè)的圖像，其中負(fù)值時間較早。在相同的空間和時間區(qū)域，光脈沖的相位形成一個漩渦圖案，在甜甜圈洞（最右邊的圖像）中心形成一個漩渦。

最早是由米爾奇伯格和同事發(fā)現(xiàn)了時空光學(xué)渦旋，當(dāng)時他們發(fā)現(xiàn)了類似于在強(qiáng)激光束周圍形成的“光學(xué)煙環(huán)”結(jié)構(gòu)。這些環(huán)的邊緣有一個變化的相位，就像圍繞煙環(huán)旋轉(zhuǎn)的氣流一樣。這項新研究中制造的漩渦，是一個類似但更簡單的結(jié)構(gòu)：如果把最初的煙圈想象成一個由珠子制成的手鐲，那么新的時空光學(xué)渦旋就像是單獨的珠子。先前的研究表明，時空光學(xué)渦旋為理解一種著名的高強(qiáng)度激光效應(yīng)——自引導(dǎo)提供了一個優(yōu)雅的框架。

在高強(qiáng)度時，當(dāng)激光脈沖與其通過的介質(zhì)相互作用，將自身壓縮成緊密的光束時，就會產(chǎn)生這種效應(yīng)。研究人員表明，在這個過程中，時空光學(xué)渦旋負(fù)責(zé)引導(dǎo)能量流動和重塑激光，推動能量在其前面集中在一起，在其后面分開。最初發(fā)現(xiàn)觀察了這些環(huán)是如何在二維光束周圍形成的，但研究人員無法探索漩渦的內(nèi)部工作原理，因為每個脈沖都太短太快，以前建立的技術(shù)無法捕捉到。

每個脈沖僅在飛秒內(nèi)通過，大約比眨眼快100萬億倍。研究的合著者、UMD物理學(xué)博士后助理辛娜·扎赫普爾說：這些脈沖不是微秒甚至納秒的脈沖，只是用電子學(xué)來捕捉的，這些都是極短的脈沖，需要使用光學(xué)技巧來成像。為了捕捉新時空光學(xué)渦旋的強(qiáng)度和相位，研究人員需要準(zhǔn)備三個額外的脈沖。第一個脈沖在薄玻璃窗口內(nèi)與時空光學(xué)渦旋相遇，產(chǎn)生以時空光學(xué)渦旋強(qiáng)度和相位編碼的干涉圖案。

使用兩個更長的脈沖讀出該圖案，產(chǎn)生如上圖所示的數(shù)據(jù)。之前只研究了光的振幅，現(xiàn)在可以得到相位的全貌，這證明該原理適用于研究超快現(xiàn)象。時空光學(xué)渦旋可能具有對實際應(yīng)用有用的彈性，因為它們扭曲的螺絲狀相位使它們對小障礙物具有很強(qiáng)的抵抗力。例如，當(dāng)時空光學(xué)渦旋在空氣中傳播時，部分脈沖可能會被水滴和其他小顆粒阻擋。但隨著它們的繼續(xù)，時空光學(xué)渦旋往往會填補被擊倒的小部分：

以一種有助于保存脈沖中記錄的任何信息方式修復(fù)輕微的損傷。此外，由于時空光學(xué)渦旋脈沖如此短而快，它對空氣中相對較慢的正常波“無動于衷”。時空光學(xué)渦旋的可控產(chǎn)生，可能促使諸如信息的彈性傳播或光束能量在湍流或霧中的彈性傳播等應(yīng)用。這些設(shè)備對于使用激光的自由空間光通信或從地面站向空中飛行器供電等應(yīng)用非常重要。

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博科園｜研究/來自：馬里蘭大學(xué)

參考期間《Optica》

DOI: 10.1364/OPTICA.6.001547

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