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[讨论]电磁学与光学
转自:
http://scienceweb.biz/pnn/print_sci_news.asp?news_id=637
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在室温下,红宝石可以用来大幅度地降低光速。这项技
术可望应用於通讯系统的设计。
‘光’ 是物理学中令人难以捉摸的一个现象。它的
粒子-波动二相性 曾经是令科学家们想不透的问题。此外
到目前为止 它在真空中行进的速度(C~3e8 m/s) 也没
有其它的物理量可以与其相比。由於它在介质中行进的速度
(群速度 group velocity, Vg) 会受到该物质折射系数
(n)的影响而变慢(Vg=C/n) 科学家们从很早就在思考 如
何能够将光的速度 减慢到可以与其它实验配合的程度。
由於当光的速度受到介质影响而变慢的同时 其被介质
所吸收的程度也特别严重 使得实验无法准确地量测到这个
现象。近年来 科学家们采用一项名为
EIT(electromagnetically induced transparency) 的技术
达成在极低温(接近绝对温度零度) 的条件下 雷射光在
特殊物质的气体中 行进速度被减慢到8-45m/s的结果。在
最近的Physical Review Letters中 罗彻斯特大学光学中
心的Matthew Bigelow与所属的研究小组 则报导了在室温
下 利用spectral hole burning的效应 在红宝石中达成
将光速减慢到约57.5m/s的研究成果。
所谓的spectral hole burning效应 是在某些物质中
存在著一组能阶 包含一个基态与一个受激态 在其间有
一介稳态(metastable)的能阶。当有入射光将电子由基态激
发至受激态时 受激发的电子会在几个picosecond(一兆分
之一秒)的时间内跃迁到介稳态。在经过约长达几个
milisecond(千分之一秒)的时间後 电子才会回到基态 并
释放出波长与入射光波长相近的光子。而在该物质的吸收/
穿透光谱上 在特定的波长附近 便会形成一个空区 意味
著该特定波长的光无法通过。并且该频谱空区的频宽 大约
等於电子从介稳态降回基态时间的倒数。
Bigelow等人的实验 是使用波长514.5nm的氩离子雷射
作为入射光源 利用脉冲或正弦波透过光电晶体对雷射光作
波幅的调制。然後将调制後的光通过焦距为40cm的透镜 射
入一长为7.25cm的红宝石。最後 通过红宝石的光 连同参
考讯号 同时显示在数位示波器上以比较雷射光在红宝石中
究竟被延迟了多久。他们发现 在使用功率为0.25W 调
制频率60Hz时 可以得到达1.26ms的延迟。代表在7.25cm长
的在红宝石中 雷射光要花1.26ms的时间来行进 所以光在
介质中的速度 被减低到仅有约58m/s。他们同时发现 光
在红宝石中速度减慢的程度 也会受到调制频率 入射光功
率 以及入射光强度的影响。并且实验的数据 与相关理论
所预测的结果十分吻合。
虽然Bigelow等人的实验结果 并没有为光速的降低创
下新的记录。但是 由於他们的实验在室温下就可达成 这
对於将这项技术应用在现有的光电元件或通讯系统上 提供
了令人乐观的可能性。看来 科学家们在与光速赛跑的记录
上 又往前跨了一步。
原始论文:
1、Nature Science Update: Ruby slows light at room
temperature
2、Observation of Ultraslow Light Propagation in a
Ruby Crystal at Room Temperature, Matthew S. Bigelow
et al., Physical Review Letters 90, 113903 (2003)
0000000000000000000000000000000000000000000000000000
另外参见:
http://www.asiaa.sinica.edu.tw/Outreach/news/2003/03052102.htm
http://www.dljskj.gov.cn/news/shownews.asp?newsid=9466
http://www.dragonsky.net/sqlforum/showannounce.asp?boardID=11RootID=334953ID=334953
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