您的位置:寻梦网首页其它文库科普知识>物理:维持光脉冲形状的新发现
珍惜自己

作者: 谢莉琳

目录
物理:维持光脉冲形状的新发现


  意大利的科学家利用特殊的装置,使激光束在晶体中行进时,能够在立体空间的三个方向都维持其形状,不致产生色散或绕射的现象。
                 
  光脉冲在现今的科学研究的应用(如激光束探测)上,随着观察系统的缩小而越来越重要。所谓的光脉冲,就是其在所占的时间的与空间上,都极小的一束光(通常是从雷射光调变而来),通常也被称为是“波包”(wave packet)。以现今的光学技术而言,制造出仅百万,甚至亿万分之一秒的脉冲,并不是难事。但是当这样的一个光的脉冲在空间中行进时,会由于以下的两种原因而无法保持原先的形状,第一个原因是色散,是因不同颜色(频率)的光具有不同的速度,所以脉冲会在沿着其行进方向上变宽,另一个原因是绕射,是由脉冲在与其行进方向垂直的方向上开展所造成的。
                 
  目前科学家们一般是透过两种方法,来解决上述的问题,以维持脉冲的形状。第一个方法,是利用所谓的非线性原理,透过选择特殊的物质,不同强(亮)度的光在其中具有不同的速度。较亮的光移动比较暗的光来得慢,这个效应可以使脉冲(空间中)边缘较暗的光向中心较亮的部份靠近,抵消因绕射所造成的效果。此外,由于不同频率的光具有不同的行进速度,科学家们可以利用特殊的方法,使得速度较慢的频率朝波包的前缘聚焦,而使速度较快的频率朝波包的后面聚焦(注)。这样就可以减低色散的程度,维持脉冲在行进方向上的形状。这项技术,就是所谓的“光孤子”(soliton),已经在许多的实验上被证明其维持脉冲形状的作用。但是,这项技术在三度空间里的困难度极高,并且soliton容易彼此抵消。
                 
  另一种方法,是称为linear X-shaped waves的技术。它的原理是将两束圆锥状的光,以光源交会的方式彼此相对(从侧面看就像一个“X”)。这两束光仅集中在圆锥表面与交会点,在圆锥内部的空间则完全没有光。由于这种特殊的安排,使得这两束光里绕射的部份可以互相抵消,如此在空间中传播时就能减少扩散的机会。然而,这样的装置对于色散问题的解决,却是困难重重。
                 
  如此看来,似乎是“鱼与熊掌不可兼得”。然而,在八月二十九日这一期的Physical Review Letters中,意大利的科学家Di Trapani与其研究小组,发表了结合soliton与linear X-shaped waves两种方法的实验结果。他们发现当一束雷射光脉冲通过三硼化锂(lithium triborate, LBO)晶体时,会自行调整形状产生他们称为nonlinear X waves的脉冲。这种X waves因着具有soliton的非线性效果,能够在行进时仍然维持原先的形状,抵消因色散造成的波包形变。至于soliton彼此抵消的问题,则由来自X waves外侧不断供应的能量所解决。
                 
  Di Tranpini对于他们的实验结果十分乐观地表示,这项称为“light bullets”的技术可望广泛地应用在从光学探测到玻色-爱因斯坦等实验上。此外,他也谦虚地表示,这项效应也许早已在其它科学家们的实验中出现过,只是没有受到注意,或是所用来观察的仪器无法侦测到X waves的存在。所以,当实验遇到瓶颈时,不妨试着换一个角度来思考,说不定可以从其它成功(或失败)的例子中找到答案。
                 
  <注>有关soliton的原理,可以将其想象有一群瘦子在前,胖子在后的人,被一条绳索圈在一起,排成一列站在弹簧床或海绵垫上,向着瘦子的前面一同行进。胖子(瘦子)走得较慢(快),对应与速度较慢(快)的光。由于胖瘦排列的方式,弹簧床或海绵垫的表面将会下凹成U字型。走在前面的瘦子一直在爬坡,所以其速度会减慢下来,而走在后面的胖子则是在下坡,可以加快他原先较慢的速度。如此这个队伍的整体速度就可以稳定维持,并且队形(脉冲形状)也不会改变。
                 

目录



其它文库首页