哈佛大学创造怪异光学现象挑战折射反射定律

tlx · *发表于* 2011-9-9 10:54:14

美国哈佛大学工程与应用科学的研究人员利用一种新的技术诱导光线的路径，使得发现百年的光线反射和折射定律受到挑战。而这个技术被称为相位不连续技术。这一研究发现使得在预测光线由一个介质进入另一个介质的时候（例如，从空气进入玻璃的路径），出现了一个新的数学规律，其有别于经典的折射和反射定律。目前该研究发现已经发表在最新的《科学》杂志上。

据参与该研究的哈佛大学工程与应用科学应用物理学与文顿海斯电气工程高级研究员组成的联合小组，首席联合研究员分别为费德里科卡帕索（Federico Capasso）和罗伯特L华莱士（Robert L. Wallace）教授介绍：使用特殊的平面，我们创建了一个平面哈哈镜的效果。我们的发现使得光学进入了一个全新的领域，并打开了令人振奋人心的光电子技术的大门。

人类自科学发展以后，认识光线的行为之后，都知道光是在不同的介质中，以不同的速度进行传播。如果光线遇到一个玻璃等材料，并以一定的角度入射，就会发生反射和折射现象，也正是因此，波前的方向就发生了改变。我们根据传统意义上的折射和反射定律，全世界的物理学课上都可以进行光线行为方式的推导，我们还可以结合入射角度以及两个介质的性质计算出折射角和反射角的具体的数值。然而，当研究人员将光线打在金属纳米材料的结构图上，根据实验中表面光的撞击行为，研究人员意识到，使用传统意义上的方程不足以形容实验室中所观察到的关于光线奇怪路径的现象。

在实验过程中，研究人员设计了一个纳米级的谐振器阵列，比一个波长还要薄一点儿，可在硅表面创建一个恒定的梯度值。通过可视化的研究技术，使得光线可以下部分击中表面，还可以保持垂直入射。而处于左边的谐振器保持的能量要长于右边的谐振器。但是，如果没有这个整列的存在，这个光线是平行的。

通过哈佛大学的这个研究，科学家也发现了一个新的广义范围上的光线定律，实验证明这组的数据是正确的，而且也将证实了在两个介质之间新的路径方式。据哈佛大学工程与应用科学卡帕索实验室副研究员于南方（Nanfang Yu）认为：通常情况下，比如说一个池塘附近，空气和水之间边界就形成了两个不同的路径方式。但是，在这个特殊的情况下，介质与介质之间的边界附近，成为了一个活跃的界面，可以弯曲光线本身。

而本次研究实验的关键是使用了微小镀金的天线蚀刻在硅的表面。该阵列结构在总体尺度上都做的很薄，整个阵列结构在规模上比撞击的光线波长要薄很多。这就意味着，与传统角度上而言，光学系统设计的边界之间的空气和硅赋予了一个突然产生的相移，这就是被认为是第二阶段不连续性的体现。

在实验室的数组中，每个天线都是一个很小的谐振器，可以不抓光线，持有特定的在一定时间内进行能量释放。整个硅表面纳米谐振器具有不同类型的梯度，可以有效地弯曲光当光线进入就开始通过新的媒介传播。由此产生的各种奇怪的现象，打破了旧的规则，创造出来的光线会以任意的方式进行，并且出现反映和折射，由表面上的图案而定。而研究针对新发现的光线行为，为了概括反射还有折射等科学定律，哈佛大学的研究人员增加了一些新的设计方程，可以传授相移梯度。更重要的是，在表面梯度缺少的情况下，新的定律可达到众所周知的程度。

据一位在卡帕索研究小组的访问学者芝诺（Zeno Gaburro）认为：通过接口结合相位不连续的渐变，光线的反射和折射规律，成为可重新定义的定律，并且伴随着新的现象出现。反射的激光束可以被弹开，而不是向前，还可以创建负折射现象，对全反射有一个全新的视角。此外，光的偏振也可以得到控制，这意味着在光线输出上发生了一个本质性的设计定义。研究人员已经成功地生产出涡束，就是一种螺旋形的光流。他们还设想了平面的镜头，可以集中无畸变的图像。