광학 스펙클의 전파 속도

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 9071(2023) 이 기사 인용

측정항목 세부정보

진공에서 빛의 속도가 일정하다는 사실은 현대 물리학의 초석입니다. 그러나 최근 실험에 따르면 빛의 영역이 가로 평면에 국한되면 관측된 빛의 전파 속도가 감소하는 것으로 나타났습니다. 이 효과는 전파 방향에서 빛의 파동 벡터 구성 요소를 감소시켜 위상과 그룹 속도를 모두 수정하는 가로 구조의 결과입니다. 여기서는 임의의 가로 분포를 가지며 미세한 것부터 천문학적인 것까지 규모가 어디에나 존재하는 광학 반점의 경우를 고려합니다. 각도 스펙트럼 분석 방법을 사용하여 광학 스펙클의 평면 간 전파 속도를 수치적으로 조사합니다. 5°의 각도 범위에 걸쳐 가우스 산란을 갖는 일반 디퓨저의 경우 광학 스펙클의 전파 속도가 느려지는 것을 자유 공간 속도의 1% 정도로 계산하여 비교 시 훨씬 더 높은 시간적 지연을 초래합니다. 이전에 고려한 Bessel 및 Laguerre-Gaussian 빔. 우리의 결과는 실험실과 천문학적 환경 모두에서 광학 얼룩을 연구하는 데 영향을 미칩니다.

빛의 속도는 파동과 광자 측면에서 빛의 기본 속성입니다. 진공에서의 속도는 길이 단위가 정의되는 자연의 기본 단위 중 하나인 상수 c라는 것이 일반적으로 받아들여지고 있습니다. 그러나 광학 물리학계는 이 상수의 편차를 제어하고 관찰하는 데 매료되었습니다. 잘 알려진 예 중 하나는 원자 증기5, 초저온 원자6, 광섬유7,8,9, 광결정10을 포함한 물질 시스템을 통해 광 펄스의 그룹 속도가 수정되는 느리고 빠른 빛2,3,4의 관련 현상입니다. 등등11,12,13,14. 이러한 효과의 기본은 일반적으로 광 펄스의 색 분산과 관련되어 있으며, 이는 광학 매체를 통해 전파될 때 일시적으로 퍼지거나 왜곡되는 경향이 있습니다. 빛의 군속도를 제어하는 ​​대체 메커니즘은 Bessel-X 펄스 및 시공간 파동 패킷과 같은 기본 시공간 구조를 갖는 전파 불변 파동 패킷을 통해 이루어집니다. 이러한 현상을 기반으로 실현하기 위한 다양한 전략이 제안되었습니다. 자유 공간에서 초광속 전파19,20,21,22 및 임의로 조정 가능한 그룹 속도23,24,25,26. 이러한 구현은 공간적 자유도와 시간적 자유도 사이의 긴밀한 상관 관계를 통해 광 펄스가 시공간 조각을 겪는 시공간 결합에 의해 촉진됩니다.

이러한 다양한 현상 외에도 최근에는 파동의 가로 제한이나 단일 광자의 공간 구조가 전파 속도를 수정하여 광하 그룹 속도를 초래한다는 것이 인식되었습니다. 이러한 수정은 빔의 가로 구조로 인한 빔의 발산 또는 수렴에서 비롯됩니다. 공간적 구조에 의해 유발되는 전파 속도의 둔화를 우리는 매질이 없을 때 발생할 수 있는 "구조화된 느린 빛"이라고 부릅니다. 간단한 예를 들어, 중공 도파관 내에서 두 평면 사이를 이동하는 가로 모드는 c28보다 작은 군속도를 생성합니다. 도파관 이론에 따르면, 도파관을 따른 위상 속도 vψ와 군속도 vg,z 사이의 관계는 vψvg,z = c229로 나타납니다. 이는 가이드를 따라 축 투영 파동 벡터 kz 대 고정 파수 k0의 감소를 고려하면 c를 초과하는 위상 속도가 있고 이는 감소된 군속도를 초래한다는 것을 의미합니다. 여기서 \(k_{0} = {{2 \pi } \mathord{\left/ {\vphantom {{2\pi } \lambda }} \right.\kern-0pt} \lambda }\) 그리고 λ는 광학 파장입니다. 여기서는 이러한 감속이 도파관에 의해 직접적으로 발생하는 것이 아니라 오히려 도파관이 가로 공간 구조에 부과하는 경계 조건에 의해 발생한다는 점을 강조해야 합니다.