物理學(xué)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(shù)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(zhì)。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(xué)的物理學(xué)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(xué)渦旋”的環(huán)形光結(jié)構(gòu)中，光能流過環(huán)的內(nèi)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(xué)結(jié)構(gòu)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(xué)渦旋”或STOV。在適當?shù)臈l件下，光結(jié)構(gòu)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(lǐng)域的異常結(jié)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(yù)約了在UMD 電子與應(yīng)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(lǐng)域已經(jīng)發(fā)生了很多。“

更常規(guī)的空間光學(xué)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(zhuǎn)。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(yīng)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(xué)渦旋，作為改進電信，顯微鏡和其他應(yīng)用的一種方法。通過在燈光本身中創(chuàng)建小結(jié)構(gòu)，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(xué)渦旋具有更廣泛的應(yīng)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(chǔ)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(zhì)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(yīng)用程序，例如更傳統(tǒng)的應(yīng)用程序。例如，OAM渦流已被用于設(shè)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(xué)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(shù)應(yīng)用中可能具有尚未預(yù)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。“