坚不可摧的光束:产生的特殊光波，甚至可以穿透不透明的材料

乌得勒支大学(Utrecht University)和维也纳大学(TU Wien)的研究人员发明了一种特殊的光波，这种光波甚至可以穿透不透明的材料，就好像这种材料根本不存在一样。

为什么糖不是透明的?因为穿过一块糖的光是以一种高度复杂的方式散射、改变和偏转的。然而，维也纳TU Wien(维也纳)和荷兰乌得勒支大学的一个研究小组现在已经能够证明，有一类非常特殊的光波并不适用这种方法:对于任何特定的无序介质——比如你刚刚放入咖啡中的方糖——可以构造出定制的光束，实际上不会被这种介质改变，而只是衰减。光束穿过介质，一个光图案到达另一边，它具有相同的形状，就好像介质根本不存在。

这种“光的散射不变模式”的概念也可以用来专门检查物体的内部。该研究结果现已发表在《科学》杂志上自然光子学。

数不清的可能波形

湍流水面上的波浪可以呈现出无数种不同的形状——同样，光波也可以以无数种不同的形式产生。屠Wien理论物理研究所的Stefan Rotter教授解释说:“当你将光波通过一个无序介质时，每一个光波的模式都会以一种非常特定的方式发生改变和偏转。”

Stefan Rotter和他的团队正在开发数学方法来描述这种光散射效应。乌得勒支大学阿拉德·莫斯克(Allard Mosk)教授的团队为制造和表征这种复杂光场提供了专业知识。“作为光散射介质，我们使用了一层氧化锌——一种完全随机排列的纳米粒子组成的不透明的白色粉末，”实验研究小组负责人阿拉德·莫斯克(Allard Mosk)解释说。

首先，您必须精确地描述这一层。你用非常特殊的光信号照射氧化锌粉末，然后测量它们是如何到达后面的探测器的。由此，你就可以得出任何其他的波是如何被这种介质改变的——特别是，你可以计算出氧化锌层改变了哪种波的模式，就好像在这一层完全没有波散射一样。

“正如我们能够展示的那样,是一个非常特殊的类的光波——所谓scattering-invariant光模式,产生完全相同的波型探测器,无论光波只有通过空气发送还是必须穿透复杂氧化锌层,”斯蒂芬无赖说。“在实验中，我们看到氧化锌实际上根本没有改变这些光波的形状——它们只是整体上变弱了一点，”阿拉德·莫斯克解释说。

光探测器旁的一个恒星星座

与这些散射不变的光模式一样特别且罕见的，并且在理论上无限数量的可能的光波中，人们仍然可以找到许多。如果您以正确的方式组合多种这些散射不变的灯光模式，则再次获得散射不变波形。

“通过这种方式，至少在一定的范围内，你可以很自由地选择你想要通过物体发送的图像而不受干扰，”博士研究生Jeroen Bosch说。“在实验中，我们选择了一个星座作为例子:北斗七星。事实上，可以确定一个散射不变波将北斗七星的图像发送到探测器，而不管光波是否被氧化锌层散射。对探测器来说，两种情况下的光束看起来几乎是一样的。”

细胞内部的情况

这种寻找穿透基本未受干扰物体的光模式的方法也可以用于成像程序。“在医院里，x光被用来观察人体内部——它们的波长更短，因此可以穿透我们的皮肤。但光波穿透物体的方式不仅取决于波长，还取决于波形，”Matthias Kühmayer说，他是一名从事计算机模拟波传播的博士生。“如果你想把光线集中在物体的某些特定点上，那么我们的方法就打开了全新的可能性。我们能够证明，使用我们的方法，氧化锌层内部的光分布也可以被具体控制。”这在生物实验中可能会很有趣，例如，你想在非常特定的点上引入光来观察细胞内部深处。

荷兰和奥地利科学家联合发表的论文已经表明，理论与实验之间的国际合作对于在这一研究领域取得进展是多么重要。

参考:普里塔姆·派，Jeroen Bosch, Matthias Kühmayer, Stefan Rotter和Allard P. mosk2021年4月8日的《复杂介质中光的散射不变模式》自然光子学。
DOI: 10.1038 / s41566 - 021 - 00789 - 9