时空折射违反了费马原理：新型激光束不遵循经典的折射定律

中央佛罗里达大学（UCF）的研究人员已经开发出一种新型的激光束，它不完全遵循长期以来人们熟知的光折射和传播的原理。该发现最近发表在《Nature Photonics》上，可能对光通信和激光技术产生巨大的影响。

     图1 《Nature Photonics》的一项新研究详细说明了UCF研制的激光束的独特特性。

“这类新的激光束具有普通激光束所不具备的独特特性，”UCF光学与光子学学院教授、该研究的主要研究成员Ayman Abouraddy说。 这些光束被称为时空波包，在折射时遵循不同的规则，即当它们穿过不同的材料时。通常情况下，当光线进入密度更高的材料时，光线会减慢速度。

Abouraddy说，“相比之下，时空波包可以按照通常的方式进行排列，根本不改变速度，甚至可以在密度更大的材料中异常加速。因此，这些光脉冲可以同时到达太空的不同点。”“试想一下，一个装满水的玻璃杯中的勺子，在水和空气相遇的地方看起来是弯曲的。这是因为空气中和水中的光速不同。这是斯内尔定律（Snell’s Law）所描述的一个众所周知的现象。”

斯涅尔定律描述了光线在两种折射率不同的介质之间的界面上的折射，是光学中最经典的原理之一。该原理体现在光学脉冲束上，表现为当脉冲传播到高折射率（非分散）材料时，脉冲的群速度降低，并且透射脉冲的群速度与入射角无关。

但是，本研究团队发现，一旦将紧密的时空光谱相关性引入脉冲束中，斯涅尔定律就可能不再适用。通过将每个空间频率（波矢量的横向分量）与单个波长相关联，波动量在界面上所经历的变化会扩展时域，形成时空（ST）波包。

具体而言，研究者首先用相位空间光调制器（SLM）合成ST波包，将空间光束调制和超快脉冲整形结合，利用4f成像仪将ST波包引入超快脉冲光束中，以进行非线性光谱和量子控制，将可编程相关性引入ST频谱。研究者通过实验对比发现，合成的ST波包与普通脉冲相比，对于任何一对材料，无论它们的折射率对比如何，都会存在一个穿过数据包之间的界面而不改变其群速度的ST波包，并且存在一个在切换符号时保留其群速度大小的波包（群速度是指波包的峰值速度）。因此，后一种波包在两种材料的长度相等时会经历群延迟消除。其次，当从低折射率材料传播到高折射率材料时，ST波包的群速度会异常增加。第三，发现传输ST波包的群速度取决于界面上的入射角，这与普通脉冲波包的折射不同。

对于这些特征，研究者给出了理论解释：在传统波包中空间和时间频谱是可分离的，从而每个空间频率都与有限带宽相关联。当光谱轨迹位于光锥与倾斜的光谱平面的相交处时，ST波包将以仅由该平面的光谱倾斜角决定的群速度刚性传输，而与折射率无关。 ST波包的频谱倾斜角θ是内部自由度，它独立于场的外部自由度（例如中心波长，带宽，光束大小和轮廓或传播方向）来表征场的全局属性。因此，斯涅尔定律支配着外部自由度（传播角），而研究者提出的ST波包遵循着内部自由度（频谱倾斜角），因此并不与斯涅尔定律完全冲突。

本研究成果可能对光通信和激光技术产生巨大的影响。Abouraddy表示，该研究的下一步工作包括研究这些新的激光束与激光腔和光纤等设备的相互作用，以及将这些新见解应用于物质而非光波。