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維持光脈衝形狀的新發現

2011/02/08 | 未分類 |

Original publish date:Sep 20, 2003

編輯 Agape 報導

義大利的科學家利用特殊的裝置﹐使雷射光束在晶體中行進時﹐能夠在立體空間的三個方向都維持其形狀﹐不致產生色散或繞射的現象。

光脈衝在現今的科學研究的應用(如雷射光束探測)上﹐隨著觀察系統的縮小而越來越重要。所謂的光脈衝﹐就是其在所佔的時間的與空間上﹐都極小的一束光(通常是從雷射光調變而來) ﹐通常也被稱為是”波包”(wave packet)。以現今的光學技術而言﹐製造出僅百萬﹑甚至億萬分之一秒的脈衝﹐並不是難事。但是當這樣的一個光的脈衝在空間中行進時﹐會由於以下的兩種原因而無法保持原先的形狀﹕第一個原因是色散﹐是因不同顏色(頻率) 的光具有不同的速度﹐所以脈衝會在沿著其行進方向上變寬﹔另一個原因是繞射﹐是由脈衝在與其行進方向垂直的方向上開展所造成的。

目前科學家們一般是透過兩種方法﹐來解決上述的問題﹐以維持脈衝的形狀。第一個方法﹐是利用所謂的非線性原理﹕透過選擇特殊的物質﹐不同強(亮)度的光在其中具有不同的速度。較亮的光移動比較暗的光來得慢﹐這個效應可以使脈衝(空間中)邊緣較暗的光向中心較亮的部份靠近﹐抵消因繞射所造成的效果。此外﹐由於不同頻率的光具有不同的行進速度﹐科學家們可以利用特殊的方法﹐使得速度較慢的頻率朝波包的前緣聚焦﹐而使速度較快的頻率朝波包的後面聚焦()。這樣就可以減低色散的程度﹐維持脈衝在行進方向上的形狀。這項技術﹐就是所謂的”光孤子”(soliton) ﹐已經在許多的實驗上被證明其維持脈衝形狀的作用。但是﹐這項技術在三度空間裡的困難度極高﹐並且soliton容易彼此抵消。

另一種方法﹐是稱為linear X-shaped waves的技術。它的原理是將兩束圓錐狀的光﹐以光源交會的方式彼此相對(從側面看就像一個"X") 。這兩束光僅集中在圓錐表面與交會點﹐在圓錐內部的空間則完全沒有光。由於這種特殊的安排﹐使得這兩束光裡繞射的部份可以互相抵消﹐如此在空間中傳播時就能減少擴散的機會。然而﹐這樣的裝置對於色散問題的解決﹐卻是困難重重。

如此看來﹐似乎是” 魚與熊掌不可兼得” 。然而﹐在八月二十九日這一期的Physical Review Letters中﹐義大利的科學家Di Trapani與其研究小組﹐發表了結合soliton與linear X-shaped waves兩種方法的實驗結果。他們發現當一束雷射光脈衝通過三硼化鋰(lithium triborate, LBO) 晶體時﹐會自行調整形狀產生他們稱為nonlinear X waves的脈衝。這種X waves因著具有soliton的非線性效果﹐能夠在行進時仍然維持原先的形狀﹐抵消因色散造成的波包形變。至於soliton彼此抵消的問題﹐則由來自X waves外側不斷供應的能量所解決。

Di Tranpini對於他們的實驗結果十分樂觀地表示﹐這項稱為"light bullets" 的技術可望廣泛地應用在從光學探測到玻色-愛因斯坦等實驗上。此外﹐他也謙虛地表示﹐這項效應也許早已在其它科學家們的實驗中出現過﹐只是沒有受到注意﹐或是所用來觀察的儀器無法偵測到X waves的存在。所以﹐當實驗遇到瓶頸時﹐不妨試著換一個角度來思考﹐說不定可以從其它成功(或失敗)的例子中找到答案。

<> 有關soliton的原理﹐可以將其想像有一群瘦子在前﹑胖子在後的人﹐被一條繩索圈在一起﹐排成一列站在彈簧床或海綿墊上﹐向著瘦子的前面一同行進。胖子(瘦子)走得較慢(快)﹐對應與速度較慢(快)的光。由於胖瘦排列的方式﹐彈簧床或海綿墊的表面將會下凹成U字型。走在前面的瘦子一直在爬坡﹐所以其速度會減慢下來﹔而走在後面的胖子則是在下坡﹐可以加快他原先較慢的速度。如此這個隊伍的整體速度就可以穩定維持﹐並且隊形(脈衝形狀)也不會改變。

參考來源:

本文版權聲明與轉載授權資訊:

  • [May 24, 2002] 玻色愛因斯坦凝聚態的孤子現象

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