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2017-02-16 22:08 |
具有爱因斯坦效应的光纤
马克斯普朗克研究所在埃朗根的光科学院的研究人员发现在光子晶体光纤（PCF）导光的新机制。光子晶体光纤是一种像头发那样细的玻璃纤维，其结构中心沿着其长度方向规则排列着空心通道。当这种光光纤螺旋扭曲时，这种螺旋阵列的中空通道作用于光线的方式，类似于由广义相对论描述的那样，当光线旅行通过恒星周围时会由于引力在空间中发生弯曲。 FjI1' Ah\
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光导纤维作为光的管道。就像管道内部由墙围起来一样，光纤通常有一个导光芯，其玻璃纤维的折射率比封闭的外覆层的玻璃折射率高。折射率的差异会导致光在包层界面进行反射，并被困在管状纤芯中。一组由Philip Russell（马克斯普朗克光的科学研究所所长）领衔的研究小组首次实现了无芯光子晶体光纤的导光。 m& #D ~
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光子晶体具有蝴蝶般的颜色，也能引导光线 *=]U WM~]
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一个典型的光子晶体由一块玻璃，在其体积上有规则周期排列的孔。由于玻璃和空气有不同的折射率，折射率具有周期性结构。这就是这些物质被称为晶体的原因，它们的原子在晶体盐或硅中形成有序的三维晶格，例如。在常规晶体中，例如在绝缘体、导体和半导体中，三维结构的精确设计决定了电子的行为。 QxuU3#l
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以类似的方式，一种光子晶体的光学性质取决于周期性的三维结构，在一些蝴蝶的翅膀中，这种结构就决定了蝴蝶闪闪发光的颜色。能够控制材料的光学特性在各种各样的应用中是十分有用的。由Philip Russell和他的团队在埃朗根的马克斯普朗克研究所开发的光子晶体光纤可以用来过滤特定波长的可见光谱或产生超白光。 K{9Vyt9,$
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正如在电信中使用的所有光纤的情况下，所有常规的光子晶体光纤有一个核心和包层具有不同的折射率或光学特性。在PCF，充满空气的通道会赋予玻璃一个不同于完全固体玻璃的折射率。 !s ! el;G
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空气孔定义了光子晶体光纤中的空间 .Iz
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“我们首次成功地在无芯光纤中引导了光线，”Gordon Wong说，他来自普朗克光在埃朗根科学研究所。在Philip Russell的团队中工作的研究人员制作的光子晶体光纤的横截面是紧密堆积的大量充满空气的通道，每个直径在千分之一毫米左右，沿其整个长度延伸的。 EP90E^v ^
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而传统的光子晶体光纤的芯是实心的玻璃，新的光学纤维的横截面视图类似于筛子。该孔有规则的分离，并按一定规则排列，使每个孔周围的相邻孔的正六边形包围。“这种结构在纤维中定义的了空间，”Ramin Beravat解释说，他是文章第一作者。这种空气孔可以被认为是距离标记。纤维内部有一种由孔洞的规则点阵构成的人工空间结构。 &LG|YvMY6
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“我们现在制造的纤维是有一个扭曲的形式，”Beravat继续补充道。扭曲导致空心通道绕螺旋线的纤维长度缠绕。然后，研究人员通过光纤传输激光。在正规，无铁心截面的情况下，人会想到光分布本身的筛孔之间均匀模式决定，即在边缘处的光强和中心的光强一致。相反，物理学家发现了一些令人吃惊的东西：光线集中在中心区域，在那里就是传统光纤的核心位置。 Bk@EQdn
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在一个扭曲的光子晶体光纤中，光会沿着最短路径运传播 p AaNWm
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Wong解释说：“这种效应类似于爱因斯坦广义相对论中的空间曲率。这预示着一个很大质量的天体，如太阳会扭曲它周围的空间，或者更精确地，扭曲时空，即三个空间维度的组合与第四维度中的时间就像一块橡胶，其中放置一个铅球。光的运动会沿着这个曲率。两点之间的最短路径不再是直线，而是曲线。在日食期间，那些真正隐藏在太阳后面的恒星变得可见。物理学家称这些短连接路径为“测地线”。 W<TfDEEa
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Wong还说：“通过扭曲光纤，光子晶体纤维中的“空间”也会扭曲”。这导致形成光线所沿着运动的螺旋测地线。这可以直观地理解，考虑到光总是通过介质的最短路径的事实。充满空气的通道之间的玻璃丝描述螺旋，它定义了光线的可能路径。光线通过光纤螺旋边缘的路径比通过更紧密地缠绕的光纤中心更长，螺旋造成光线弯曲，在一定的半径内光子晶体效应会让光倾向纤维轴运动。 7VdxQ T
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一种扭曲的PCF可作为大规模的环境传感器 }[PC
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纤维越扭曲，光线集中的空间越窄。在类比爱因斯坦的理论，这对应于一个更强大的引力，从而更大的偏转的光。总部设在埃朗根的研究人员写道，他们已经创建了一个“拓扑通道”的光（拓扑关系的空间属性是保守的连续失真）。 C1qlB8(Wh>
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研究人员强调，他们的工作是一种基础性研究。他们是世界上在这一领域工作很少的研究小组之一。然而，对于他们的这种发现，他们正考虑几个可能的应用。例如，扭曲的纤维在一定的间隔内不被扭曲，会使部分光线逸出到外面。光可以在这些定义的位置与环境交互。“例如，这可以用于测量介质吸收的传感器。”这些纤维的网络可以作为环境传感器可在很大的区域收集数据。（来源：labbang）
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