物理學家發(fā)現(xiàn)由激光制成的煙圈

大多數(shù)基本物理教科書都用相當簡單的術語描述激光：光束直接從一個點傳播到另一個點，除非它撞擊鏡子或其他反射表面，否則將繼續(xù)沿著箭頭直線路徑行進，由于波的性質。但這些基本規(guī)則在高強度激光下熄滅。

在適當?shù)臈l件下，強大的激光束將作為自己的鏡頭，并“自我聚焦”成更緊湊，更強烈的光束。馬里蘭大學的物理學家發(fā)現(xiàn)，這些自聚焦激光脈沖還會產(chǎn)生強烈的光能漩渦，與煙環(huán)非常相似。在這些被稱為“時空光學渦旋”的環(huán)形光結構中，光能流過環(huán)的內部，然后環(huán)繞外部環(huán)回。

渦流以激光脈沖的速度沿光速傳播并控制其周圍的能量流。新發(fā)現(xiàn)的光學結構在2016年9月9日出版的Physical Review X期刊中有所描述。

研究人員將激光煙霧環(huán)命名為“時空光學渦旋”或STOV。在適當?shù)臈l件下，光結構無處不在，并且可以使用任何強大的激光輕松創(chuàng)建。該團隊強烈懷疑STOV可以解釋幾十年來在高強度激光研究領域的異常結果和無法解釋的影響。

“激光已經(jīng)研究了幾十年，但事實證明，STOV一直都在我們的鼻子底下，” UMD 物理和電氣和計算機工程教授，該研究論文的高級作者Howard Milchberg說道，他也預約了在UMD 電子與應用物理研究所(IREAP)。“這是一個強大的，自發(fā)的功能，一直存在。這種現(xiàn)象在過去的30年里在我們的領域已經(jīng)發(fā)生了很多。“

更常規(guī)的空間光學渦旋在先前的研究中是眾所周知的 - 其中主要是“軌道角動量”(OAM)渦流，其中光能在光束傳播方向周圍循環(huán)，就像水從盥洗盆排空時水繞旋流一樣旋轉。由于這些渦流可以影響中心光束的形狀，因此它們已被證明可用于高分辨率顯微鏡等高級應用。

“自20世紀90年代后期以來，人們一直在研究傳統(tǒng)的光學渦旋，作為改進電信，顯微鏡和其他應用的一種方法。通過在燈光本身中創(chuàng)建小結構，這些漩渦可以讓你控制被照亮和不被照亮的東西，“該論文的主要作者Nihal Jhajj說道，他是在IREAP進行研究的物理研究生。

“我們發(fā)現(xiàn)的煙圈漩渦可能比以前已知的光學渦旋具有更廣泛的應用，因為它們具有時間動態(tài)，這意味著它們與光束一起移動而不是保持靜止，”Jhajj補充道。“這意味著環(huán)可能有助于操縱在光速附近移動的粒子。”

Jhajj和Milchberg承認，需要做更多的工作來理解STOV，包括它們的物理和理論含義。但他們對發(fā)現(xiàn)STOV后基礎激光研究中出現(xiàn)的新機遇特別興奮。

“我們所看到的所有證據(jù)都表明STOV是普遍的，”Jhajj說。“現(xiàn)在我們知道要尋找什么了，我們認為觀察通過介質傳播的高強度激光脈沖而不是看到STOV就像看河流而不是看到漩渦和潮流一樣。”

最終，STOV可能具有有用的實際應用程序，例如更傳統(tǒng)的應用程序。例如，OAM渦流已被用于設計更強大的受激發(fā)射損耗(STED)顯微鏡。STED顯微鏡的分辨率遠高于傳統(tǒng)的共聚焦顯微鏡，部分原因在于光學渦旋提供的精確照明。

由于具有以中心光束以光速行進的潛力，STOV在技術應用中可能具有尚未預見的優(yōu)勢，包括可能擴展光纖通信線路的有效帶寬。

“STOV不僅僅是激光束的旁觀者，就像天使的光環(huán)一樣，”Milchberg解釋道，并指出STOV能夠控制中心光束的形狀和能量流。“它更像是一個帶電的天使的光環(huán)，能量在光環(huán)和天使的頭部之間來回射擊。我們都很高興看到這一發(fā)現(xiàn)將來會帶給我們什么。“