物理教科书可能被重新书写，科学家发现了高能激光的“神秘烟圈”

编者按：在描述激光时，大部分的基本物理教科书使用的术语都很简单：一道从一点直线传播到另一点的光束，除非遇到镜面或者其他的反射面，它将会持续沿直线传播，其截面大小会由于光的波动性逐渐变大。不过，这个基本定义的限制将被高能激光打破。

根据马里兰大学物理学家们的最新发现，高能激光在特定条件下，会产生“神秘烟圈”，这些烟圈可以对光束“自聚焦”而收拢截面，这一发现意味着物理教科书可能需要重新书写对激光传播的描述。

近日，马里兰大学的物学家们有了全新的发现——只要满足正确的条件，高能激光束将会把自身当作镜头，并“自聚焦”成为一束更紧密甚至更强力的光束，而这些自聚焦的激光脉冲还会产生狂暴的光能涡流，极其类似烟圈。这种甜甜圈形状的光结构被称为“时空光漩涡”，在其中，光能流经环的内部之后再循环回外部。

这些漩涡与光脉冲同速传播，并控制能量流围绕自身——关于这种最新发现的光结构的相关论文于2016年9月9日发表在了《Physical Review X》上。

研究者将激光烟圈命名为“时空光漩涡”，或者STOVs（spatiotemporal optical vortices，见下图）。这种光结构无处不在，并且只要满足正确的条件，使用任何强力的激光器都可以制造。该团队甚至怀疑，这种时空光漩涡可以解释数十年来在高密度激光研究中出现的各种反常的结果，以及无法解释的现象。

“激光已经被研究了数十年，但我们才刚刚发现，时空光漩涡就在我们眼皮底下，”霍华德·米尔希伯格（Howard Milchberg）说道。他任职于马里兰大学电子与应用物理研究所，同时也是这篇论文的主要作者。

“这是一种固有的、自发的、并且无时不在的特性。这种特性的发现，意味着我们过去三十年在该领域的研究没有白费。”

“自上世纪90年代以来，传统光漩涡（例如轨道角动量漩涡）就被研究用以发展显微镜、电子通信以及其他应用技术。通过在光自身中建立小结构，这些漩涡可以实现选择性照明，”该论文的第一作者尼哈尔·哈格尔（NihalJhajj）说道，他是电子与应用物理研究的研究生。

在先前的研究中，空间光漩涡已为科学家们熟知——其中最主要的“轨道角动量”（OAM）漩涡，即光能会围绕其传播方向旋转，就像是水从洗脸池排空时围绕排水口所形成的漩涡一样。由于这种漩涡可以影响中心光束的形状，它对于一些高级应用十分有效，例如高分辨率显微镜。

“我们发现的这种烟圈漩涡甚至会比已知的光漩涡有更宽广的应用，因为它是实时动态（time dynamic）的，这意味着它们会沿光束移动而不是保持静止，”哈格尔补充道，“而这种环可能在将粒子加速到接近光速时十分有用。”

哈格尔和米尔希伯格知道，要理解时空光漩涡还需要许多的工作，包括它们物理上及理论上的本质。但是他们的发现可能会激起关于基础激光研究新一轮的狂潮，对此他们感到极度兴奋。

“目前，所有的证据表明，时空光漩涡具有普遍性，”哈格尔说。“现在我们知道我们在寻找什么了，如果只是看着高密度激光穿过介质而不观察时空光漩涡，就像是只是看着一条河，而不观察漩涡和水流一样。”

事实上，时空光漩涡在现实世界中可能会十分有用，就像是它的上一版本轨道角动量漩涡那样。比如，轨道角动量漩涡被用于设计更强大的受激发射损耗（STED）显微镜。STED显微镜拥有比传统的共焦显微镜高的多的分辨率（横向分辨率高达70-90纳米），其部分原因就是由光漩涡实现的精确照明。

由于具有可以与光同速传播的潜力，时空光漩涡可能在科技应用上拥有史无前例的优势，包括提升光纤通信传输带宽的潜力。

“时空光漩涡不像天使的光环那样只是个摆设，”米尔希伯格解释道。他同时强调了时空光漩涡对于控制中心光束形状以及能量流动的能力。

“它更像是‘电气化天使’的光环，在天使与光环之间往复发射能量。我们都十分迫切地想看到，这个发现能把我们带向怎样的未来。”

参考：

[1] UMDPhysicists Discover “Smoke Rings” Made of Laser Light, 2016, http://eng.umd.edu/html/news/news_story.php?id=9950

[2] N.Jhajj, et al, Spatiotemporal Optical Vortices, Physical Review X 2016, 6,031037.

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