Only Perception: 科學家首度觀察 Airy 光束

2007-11-30

科學家首度觀察 Airy 光束

Scientists make first observation of Airy optical beams
http://www.physorg.com/news115556629.html

November 29, 2007
By Lisa Zyga

科學家首度完成一種不尋常光波，稱為 Airy 光束的觀察。不像大部分類型的光波，Airy 光束有能力在長距離下抵抗繞射（diffraction），而且能在傳播過程中自由地加速。

來自於 CREOL-University of Central Florida（UCF）的研究者，Georgios Siviloglou、John Broky、Aristide Dogariu 以及 Demetrios Christodoulides 希望這些不尋常的特徵能讓 Airy 束運用在粒子操作與非線性介質等應用中。該小組的研究，發表在最新一期 Physical Review Letters 上，報告在一微與二維的配置下，進行 Airy 光束的觀察。

Airy 光束的名稱來自於 "愛里積分（airy integral），" 由 George Biddell Airy 爵士在 1830 年代引介，以解釋如同出現在彩虹中的光學焦散（optical caustics，譯註：光線穿過玻璃杯就能看見焦散，看這裡會比較清楚：http://en.wikipedia.org/wiki/Caustic_(optics)）Airy 束最初在 1979 年由二位科學家，Michael Berry 與 Nandor Balazs 所預測，位於量子力學的文章脈絡中。科學家將一種由自由粒子的存在給理論化。該粒子由薛丁格（Schrodinger）方程式所描述，能夠展現出一種 Airy （波包（wave packet），當它傳播時不會散開 -- 換句話說，它不會繞射。很明顯地，Airy 波包擁有不尋常的能力，即便在缺乏外界刺激的情況下，都能夠自由地加速。

"我們並不確定為何這種絕對迷人的預測為何在 Michael Berry 的盛名之下，這麼久都未曾被注意過，" Christodoulides 表示。"我們認為部份是因為它最初發表在一份相對「偏僻」的期刊上。第二個問題是得要完成實驗性的實作。我們直到前不久才領悟到以指數方式縮短的 Airy 束有種高斯功率譜（Gaussian power spectrum），也因此能很容易地從高斯光束（Gaussian beams，http://en.wikipedia.org/wiki/Gaussian_beam）合成。 "

UCF 研究者注意到其他二維無繞射（diffraction-free）光波的存在，例如所謂的 Bessel 束（，http://en.wikipedia.org/wiki/Bessel_beam），那是由平面波的錐形疊加所產生。因為它們的非繞射本質，Bessel 束理論上能傳播一個無限的力。然而，缺乏空間與動力緣故，使這個光束被截短，也因此在傳播期間會繞射。

與 Bessel 束還有其他非擴散波相比，Airy 束並非起因於錐形疊加。相反地，研究者利用一個電腦控制的空間性光調變器（SLM），那能夠調制出高斯光束的相位，產生 Airy 束，接著使用 CCD 相機拍攝成像。科學家利用不同的相位遮罩產生一維或二維 Airy 束。

研究者觀察到 Airy 束的局部強度特徵有自由加速的傾向。這是因為這些光束在一個自由落下的參考框架中被觀察時，可類比為量子力學中粒子的機率波函數。儘管這光束中央的主要部份（center of mass）固定不變，不過這個光束的局部強度特徵則沿著一個彎曲的拋物線軌道前進，在經歷繞射之前其距離可達 25-30 公分。相較之下，同樣尺寸的普通高斯光束，在這種距離下會展開 24 倍。

"這些光束有能力自由地加速，或在傳播中自我彎曲卻仍維持形狀的不變，" Christodoulides 解釋道。"大家都知道光線會沿著筆直路徑行進。相較之下，在我們的例子中 Airy 波的強度特徵，沿著拋物線或彈道的軌道前進，十分類似（從加農砲射出的）拋射體在重力作用下的移動。"

科學家解釋，因為能個別調整 Airy 光束的 x 與 y 參數，非繞射光速的加速度可以受到控制。研究者亦提議，利用一種稍微不同、用來產生一維 Airy 波包的技術或能致使非色散的 Airy 脈衝首度在光纖中被觀察到。此外，非繞射 Airy 光束也能用在粒子操作或非線性介質中。

"這些光束在其強度上高度不對稱，" Christodoulides 說。"這裡有數種應用正在探索，那也許值得嚮往。此外，這些光束的主波瓣（lobe，傳遞該光束超過 50% 的能量）不會沿著筆直路線行徑這個事實，能經由輻射壓力來來「推動」側邊粒子。"

※ 相關報導：

＊ Observation of Accelerating Airy Beams
http://link.aps.org/abstract/PRL/v99/e213901