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捕捉光线新方法可带来新型激光器和光纤

  有许多方法可以“捕捉”光——通常使用镜子和反射表面,或者像光学晶体之类的高科技材料。然而近日麻省理工学院的研究人员发现了一种新的方法来捕捉光线,可以带来各种各样的应用。该发现发表在《自然》杂志上。


  光发现被局限在一个平面介质光子晶体。光子晶体中以灰色显示,红色和蓝色的颜色表示此被困的光的状态的平面外的电场密度。——Chia Wei Hsu


  光被局限在一个平面介质光子晶体。光子晶体显示淡蓝色,深蓝色表面的电磁能量密度,此为被约束光的状态。——Bo Zhen

  这种新方法利用光波限制光波:两个光波的波长相同,但相位相反,当一个光波在波峰时,另一个在波谷。通过这种方法,光波相互抵消。同时其他波长(颜色)的光波可以透过。

  研究者首先通过数值模拟预言这一现象的存在,然后在实验中验证了这个设想。

  研究人员说,这种设计可以适用于任何类型的波:声波,无线电波,电子(其行为用波函数描述) ,甚至是海浪。该方法的应用领域可能包括大尺度激光器和化学生物传感器。

  “许多光学器件都需要这种结构,”Soljai说道,“包括激光器、光伏电池、光纤。”限制光波的方法一般使用各种镜子,包括传统镜子和更先进的介质镜,也有奇异的光学介质。在这些情况下,光的通道全部被限制:有没有“允许”状态的光波继续在其路径上,所以它被强制反射。然而,该方法则不同。只有特定的波长的光被封锁,其他波不受影响。Soljai称,“这是限制光波的全新方法。”


  光可以使用不同的通道逃脱的光子晶体,但由于这些通道中的波破坏性干涉,特定波长的光仍然被困。——Chia Wei Hsu

  从数学来说,该现象是“嵌入式特征值”的一个实例,其中一个频率的光被困住,而附近其他的频率不受影响。在1929年,数学家和计算机先驱约翰·冯·诺伊曼在理论上描述了这种情况的可能性。尽管物理学家们对这样的效果的存在一直有兴趣,不过除了特殊对称情况,之前没有人在实验中见过这种现象。