在许多情况下，光沿着直线传播，但会产生有趣的时空光学涡旋！

霓小沫儿

在许多情况下，光沿着直线传播，沿途没有发生太多事情。但光也可以隐藏复杂的模式和行为，只有细心的观察者才能发现这些模式和行为。这是可能的，因为光的行为就像波，其特性在几个有趣的现象中发挥了作用。其中一个这样的属性是相位，像起伏的波浪，当两个光波相遇并且不同相位时，它们可能会相互干扰，结合在一起形成错综复杂的图案。


相位是光波如何相互作用以及能量如何在光束或脉冲中流动所不可或缺的。马里兰大学研究人员在UMD物理学教授霍华德·米尔奇伯格(Howard Milchberg)的领导下，发现了光的相位，可以形成光学旋涡的新方法，即被称为时空光学涡旋(STOV)的模式。在发表在《光学》期刊上的研究中，研究人员捕捉到了这些位于空间和时间中的相位涡旋的第一张照片，开发了一种观察超快光脉冲的新方法。


每个时空光学涡旋都是一个具有特定强度模式（能量集中在哪里）和相位的光脉冲。在米尔奇伯格和合作者准备的时空光学涡旋中，强度在空间和时间上形成了一个环路，研究人员将其描述为边缘优先飞行的甜甜圈：如果你能看到脉冲向你飞来，你会看到甜甜圈的边缘，而不是洞（请参见下面最左侧的图像，其中负值时间较早。在相同的空间和时间区域，光脉冲的相位形成一个漩涡图案，在甜甜圈洞（最右边的图像）中心形成一个漩涡。


最早是由米尔奇伯格和同事发现了时空光学涡旋，当时他们发现了类似于在强激光束周围形成的“光学烟环”结构。这些环的边缘有一个变化的相位，就像围绕烟环旋转的气流一样。这项新研究中制造的漩涡，是一个类似但更简单的结构：如果把最初的烟圈想象成一个由珠子制成的手镯，那么新的时空光学涡旋就像是单独的珠子。先前的研究表明，时空光学涡旋为理解一种著名的高强度激光效应——自引导提供了一个优雅的框架。


在高强度时，当激光脉冲与其通过的介质相互作用，将自身压缩成紧密的光束时，就会产生这种效应。研究人员表明，在这个过程中，时空光学涡旋负责引导能量流动和重塑激光，推动能量在其前面集中在一起，在其后面分开。最初发现观察了这些环是如何在二维光束周围形成的，但研究人员无法探索漩涡的内部工作原理，因为每个脉冲都太短太快，以前建立的技术无法捕捉到。


每个脉冲仅在飞秒内通过，大约比眨眼快100万亿倍。研究的合著者、UMD物理学博士后助理辛娜·扎赫普尔说：这些脉冲不是微秒甚至纳秒的脉冲，只是用电子学来捕捉的，这些都是极短的脉冲，需要使用光学技巧来成像。为了捕捉新时空光学涡旋的强度和相位，研究人员需要准备三个额外的脉冲。第一个脉冲在薄玻璃窗口内与时空光学涡旋相遇，产生以时空光学涡旋强度和相位编码的干涉图案。


使用两个更长的脉冲读出该图案，产生如上图所示的数据。之前只研究了光的振幅，现在可以得到相位的全貌，这证明该原理适用于研究超快现象。时空光学涡旋可能具有对实际应用有用的弹性，因为它们扭曲的螺丝状相位使它们对小障碍物具有很强的抵抗力。例如，当时空光学涡旋在空气中传播时，部分脉冲可能会被水滴和其他小颗粒阻挡。但随着它们的继续，时空光学涡旋往往会填补被击倒的小部分：


以一种有助于保存脉冲中记录的任何信息方式修复轻微的损伤。此外，由于时空光学涡旋脉冲如此短而快，它对空气中相对较慢的正常波“无动于衷”。时空光学涡旋的可控产生，可能促使诸如信息的弹性传播或光束能量在湍流或雾中的弹性传播等应用。这些设备对于使用激光的自由空间光通信或从地面站向空中飞行器供电等应用非常重要。


博科园｜研究/来自：马里兰大学
参考期间《Optica》
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