Only Perception: 打結的光

2010-01-23

打結的光

Tying light in knots
http://www.physorg.com/news182957628.html

January 17, 2010

這禮拜的 Nature Physics 報告，使光打結的非凡成就已由英國 Bristol、Glasgow 以及 Southampton 這三所大學的物理學家團隊實現。

理解「如何以這種方式控制光」對於業界廣泛使用的雷射技術而言，具有深遠的影響。

來自 Bristol 大學同時身為本論文領導作者的 Dr Mark Dennis 解釋："在一道光束中，流動通過空間的光類似於在河中流動的水。雖然它經常以直線方式流動 -- 從火炬、雷射筆等離開 -- 不過光也能夠以旋轉（whirls）及迴旋（eddies）方式流動，在空間中形成稱為「光漩流（optical vortices，光漩渦、光渦流）」的線條。

"沿著這些線條，或光漩流，光的強度為零（黑）。環繞我們的光全都充滿這些黑暗的線條，雖然我們無法看見它們。"

光漩流能以引導光流動的全像術創造。在這項研究中，該團隊利用「紐結理論（knot theory，抽象數學 (拓樸學) 的一個分支，因出現在鞋帶與繩索中的結而受到啟發）」設計全像術。利用這些特別設計的全像術，他們能夠在光漩流中創造紐結。

這些新研究證明，先前被視為完全抽象的數學分支也能有物理上的應用。

來自 Glasgow 大學的 Miles Padgett 教授，他領導這項實驗，表示："這種打結光的實驗性證明所需要的精密全像術設計展現出先進的光學控制，那無疑能在未來的雷射裝置中運用。"

"打結渦流的研究始於 1867 年 Kelvin 男爵（譯註：William Thomson，熱力學之父）對於原子解釋的追尋，" Dennis 補充道。Dennis 從 2000 年開始與 Bristol 大學的 Professor Sir Michael Berry 研究打結的光漩流。"這項研究在那段歷史中開啟了新的篇章。"

※ 相關報導：

＊ Isolated optical vortex knots
http://dx.doi.org/10.1038/nphys1504

Mark R. Dennis, Robert P. King, Barry Jack, Kevin O'Holleran &
Miles J. Padgett
Nature Physics Published online: 17 January 2010
doi: 10.1038/nphys1504

Natural and artificially created light fields in three-dimensional space contain lines of zero intensity, known as optical vortices. Here, we describe a scheme to create optical beams with isolated optical vortex loops in the forms of knots and links using algebraic topology. The required complex fields with fibred knots and links（纖維紐結與環節）are constructed from abstract functions（抽象函數） with braided（辮狀）zeros and the knot function is then embedded in a propagating light beam. We apply a numerical optimization algorithm to increase the contrast in light intensity, enabling us to observe several optical vortex knots. These knotted nodal lines（節線）, as singularities of the wave's phase, determine the topology of the wave field in space, and should have analogues in other three-dimensional wave systems such as superfluids and Bose–Einstein condensates.