Скорость распространения оптических спеклов

Том 13 научных докладов, номер статьи: 9071 (2023) Цитировать эту статью

Подробности о метриках

Постоянство скорости света в вакууме является краеугольным камнем современной физики. Однако недавние эксперименты показали, что когда световое поле ограничено поперечной плоскостью, наблюдаемая скорость распространения света снижается. Этот эффект является следствием поперечной структуры, которая уменьшает составляющую волнового вектора света в направлении распространения, тем самым изменяя как фазовую, так и групповую скорость. Здесь мы рассматриваем случай оптических спеклов, которые имеют случайное поперечное распределение и распространены повсеместно в масштабах от микроскопических до астрономических. Мы численно исследуем скорость распространения оптического спекла от плоскости к плоскости, используя метод углового спектрального анализа. Для обычного диффузора с гауссовым рассеянием в угловом диапазоне 5° мы рассчитали, что замедление скорости распространения оптического спекла составит порядка 1% от скорости в свободном пространстве, что приведет к значительно большей временной задержке по сравнению с к рассмотренным ранее пучкам Бесселя и Лагерра–Гаусса. Наши результаты имеют значение для изучения оптических спеклов как в лабораторных, так и в астрономических условиях.

Скорость света — фундаментальное свойство света, как волн, так и фотонов. Принято считать, что скорость в вакууме — это константа с, которая является одной из фундаментальных единиц природы, от которой определяется единица длины1. Однако сообщество оптических физиков было увлечено контролем и наблюдением отклонений от этой константы. Одним из хорошо известных примеров являются родственные явления медленного и быстрого света2,3,4, когда групповая скорость световых импульсов изменяется посредством материальной системы, включая атомные пары5, ультрахолодные атомы6, оптические волокна7,8,9, фотонные кристаллы10, и так далее11,12,13,14. В основе этих эффектов обычно лежит хроматическая дисперсия светового импульса, которая имеет тенденцию расширяться или искажаться во времени по мере распространения через оптическую среду. Альтернативным механизмом управления групповой скоростью света является использование волновых пакетов, инвариантных к распространению, с лежащей в их основе пространственно-временной структурой15, таких как импульсы Бесселя-X16, и пространственно-временных волновых пакетов17, 18. На основе этих явлений были предложены различные стратегии реализации сверхсветовое распространение19,20,21,22 и произвольно регулируемые групповые скорости23,24,25,26 в свободном пространстве. Таким реализациям способствует пространственно-временная связь, когда световые импульсы подвергаются пространственно-временной скульптуре посредством тесной корреляции между пространственными и временными степенями свободы15, 18.

В дополнение к этим различным явлениям, совсем недавно было признано, что поперечное ограничение волны или пространственная структура одиночного фотона изменяет скорость его распространения, что приводит к субсветовой групповой скорости27. Эта модификация возникает из-за расхождения или схождения луча из-за его поперечной структуры. Такое замедление скорости распространения, вызванное пространственной структурой, мы называем «структурированным медленным светом», который может происходить в отсутствие какой-либо среды. В качестве простого примера: внутри полого волновода поперечные моды, распространяющиеся между двумя плоскостями, дают групповую скорость меньше c28. Согласно теории волноводов связь между фазовой скоростью vφ и групповой скоростью vg,z вдоль волновода имеет вид vφvg,z = c229. Это означает, что, учитывая уменьшение аксиального проецируемого волнового вектора kz вдоль направляющей по сравнению с фиксированным волновым числом k0, существует фазовая скорость, превышающая c, и это приводит к уменьшению групповой скорости, где \(k_{0} = {{2 \pi } \mathord{\left/ {\vphantom {{2\pi } \lambda }} \right.\kern-0pt} \lambda }\) и λ — длина оптической волны. Здесь следует подчеркнуть, что это замедление вызвано не непосредственно волноводом, а граничными условиями, которые волновод накладывает на поперечную пространственную структуру.