Only Perception: 物理學家描述如何製造逆時光脈衝

2011-06-02

物理學家描述如何製造逆時光脈衝

Physicists describe how to make time-reversed light pulses
http://www.physorg.com/news/2011-05-physicists-time-reversed-pulses.html

By Lisa Zyga, May 31, 2011

(PhysOrg.com) -- 利用週期系統的特性，物理學家描述如何有效地使超短電磁脈衝時間反轉（time-reverse）。由於逆時脈衝（time-reversed pulses）如時間倒轉般演變（evolves），因此不管這道脈衝行進通過何種介質，任何發生在較早時間的失真或散射都被消除了。

有了這項優勢，使寬頻脈衝時間反轉的能力在醫療超音波、光學通訊、超級透鏡（superlensing）、超快電漿子（plasmonics）以及生物成像中或有其應用。這些應用甚至能超越光學實作，因為此方案並不倚賴任何光所獨有的概念。在目前尚無法利用的系統（例如量子系統）中使用時間反轉，這種普適性為其開啟了可能性。

這項研究由 Yonatan Sivan 博士以及 Sir John Pendry 教授（一位隱形斗篷先鋒）所完成，這二位均來自倫敦帝國學院。這些科學家將他們的研究發表在最近一期的 Physical Review Letters 上。

到目前為止，在相對較窄的頻譜上已成功證明了時間反轉。另一方面，讓寬頻脈衝時間反轉的方案則需要複雜的技術，這使得它們難以實作且效率也不高。

新方案則為真正數週期、且裝置容易製造與實作的有效反轉開啟了大門。那基於動態調整位於光子晶體內的波速。這種光子晶體包含「零帶隙（zero gaps）」，其帶隙（band gaps）寬度為零。如科學家的解釋，帶隙是波無法傳播的能量或頻率範圍（regimes），而且是像光子晶體這樣的週期系統的常見特徵。當帶隙寬度為零，一道入射脈衝幾乎能完美地行進通過而不會被反射。

"零帶隙結構有二項特點，" Sivan 表示。"首先，它身為一種有效的均質介質（homogeneous medium），在某種意義上，它接納所有的入射光；一個標準的、具有限帶隙的光子晶體，將反射絕大部分的脈衝。其次，存在二個密切相鄰的帶隙，能使人以相對緩慢的調變（速度）在它們之間傳遞能量。"

完美對稱的零帶隙系統，其最簡單的例子是具有二層的一維光子晶體，每一層的寬度是波長的四分之一。這樣的結構頻繁地用於抗反射塗層。透過在介質中即時調整波速，研究者算出，在此結構中傳播的短脈衝能以高達 100% 的效率被反轉。

"為時間反轉而使用動態調整型光子晶體的最早提議是由史丹佛大學的 Yanik 以及 Fan 所提出，" Sivan 說。"他們的方案僅應用到幾十皮秒（picoseconds）長的脈衝，而且需要相當複雜的結構；然而，那是一種靈感來源。在某種意義上我們認為，我們研究的最大意義在於克服了這二種限制 -- 我們的方案所需結構非常簡單，而且能應用到更短的脈衝。"

未來，這些研究者希望拓展與改善這種逆時電磁波脈衝的方法。

"後續研究涉及將這個點子應用到其他結構上，或許更簡單也更有效率，" Sivan 說。"其次，我們希望能朝此方案的實驗性示範去研究。這些方向都已順利進行中。"

※ 相關報導：

＊ Time Reversal in Dynamically Tuned Zero-Gap Periodic Systems
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.106.193902