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奇异环设计使光子晶体激光器的输出功率提高大约10倍

时期:2011-01-31 00:28 点击数:
本文摘要:麻省理工学院(MIT)的研究小组最近在《大自然》杂志上发表了一篇论文,说是第一次在狄拉克锥中把一些无法解释的点做成无法解释的环。无法解释的点可以产生一些非常重要的反直觉现象,可以应用于制造强激光器件等领域。什么是无法解释的环和无法解释的点,为什么能带来奇怪的现象,如何付诸实践?论文第一作者、麻省理工学院物理系博士后甄博在拒绝接受《科技日报》记者专访时,一一解答了这些困惑,让我们一窥这种类似物理状态的奥秘。

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麻省理工学院(MIT)的研究小组最近在《大自然》杂志上发表了一篇论文,说是第一次在狄拉克锥中把一些无法解释的点做成无法解释的环。无法解释的点可以产生一些非常重要的反直觉现象,可以应用于制造强激光器件等领域。什么是无法解释的环和无法解释的点,为什么能带来奇怪的现象,如何付诸实践?论文第一作者、麻省理工学院物理系博士后甄博在拒绝接受《科技日报》记者专访时,一一解答了这些困惑,让我们一窥这种类似物理状态的奥秘。

甄波说,狄拉克锥内分解不能解释的环,不能解释所谓厄米波系统中的类似现象。一般来说,我们研究的波系都是埃尔米特的,比如量子力学,电磁学等等。相比之下,学术界对非埃尔米特系统了解甚少。

能量守恒和本征态的完善是厄米波系统最重要的两个特征,但这些特征对于非厄米波系统不一定准确。比如一个物理系统在一个无法解释的点上,它的多个本征态会坍缩成一个,也就是本征态仍然是完美的。这个时候就不会有很多新奇的物理现象了。

每个人都期望研究无法解释的点,第一个问题是如何系统地产生这样的无法解释的点。我们找到了一个新颖的方法:使用狄拉克锥。1928年,英国物理学家保罗狄拉克明确提出了描述相对论粒子态的狄拉克方程。如果在三维坐标系中画出符合狄拉克方程的无质量粒子的能量动量函数,它是圆的,圆锥的,称为狄拉克锥。

甄波解释说:厄米波系中的狄拉克锥,两个椎体的头部在一点上相对;两个尖锥的头被压扁了,而不是米尔的:在一个圆内,两个锥的头变平了。这个圈,被甄博的团队命名为一个无法解释的环,上面的每一个点都是无法解释的点。

无法解释的点环带来的无法解释的现象当系统在无法解释的点附近时,就不会有很多看起来违反直觉的物理现象。甄博推荐了这样一个例子:在一块半透明的玻璃上大大添加吸光材料,同时测量这块玻璃能利用多少光能。

一般来说,直觉是光吸收材料中加入的光越多,玻璃中使用的光就越少。但实际情况是,当吸光材料达到一定量时,往往不会出现无法解释的点。这时,如果加入更好的吸光材料,就会再次出现奇怪的现象:反而有更多的光可以透过玻璃。之所以没有出现这种违反直觉的现象,是因为光的振动模式的局域化。

当吸收材料较少时,光的振动模式集中,光可能不存在于吸收材料或半透明材料中。但当吸收材料较多时,光的振动模式被局部简化。有些图案是相同的,不存在于吸收部分,而其他图案是相同的,不存在于半透明部分。此时加入的吸光材料越多,局部简化越明显,局限在半透明部分的模式越集中,玻璃越半透明。

光的振动模式从非局域化到局域化简化的转折点,是无法解释的点的表现,也是最重要的实验应用。如何充分发挥无法解释的点的环,将这些有趣的无法解释的点付诸实践?我们告诉只有非埃尔米特系统才能产生无法解释的点,而拥有非埃尔米特系统最简单的方法就是引入损耗。甄波认为,损耗大致可以分为两种:吸收损耗和电磁辐射损耗。

专业吸波材料的损耗机理是吸收损耗;声波的损耗机理是电磁辐射损耗。这两种损耗在各种波系中是不存在的。以往研究中采用的损耗机理多为吸收损耗,往往会给所用设备带来不良影响。

我们的研究使用电磁辐射损失。甄嬛称之为,对于光波,电磁辐射损耗最少见的应用是激光笔。激光笔里有一个激光器,是产生共振的腔体。

谐振腔利用电磁辐射损耗,使光能跑出谐振腔形成光斑。激光笔的光斑不是只在电磁辐射损耗的前提下才存在的。

可以看出,电磁辐射损耗非常简单,在某些情况下甚至是合适的。我们利用电磁辐射损耗原理来产生和研究无法解释的点。作为应用实例,甄波的研究明确提出了一种新的光子晶体激光器设计方案。光子晶体是一种纳米材料,可以让介质自由选择需要分解的光的波长,而其他波长的光通过引入一些周期性结构是无法分解的。

甄波回应:近年来,新的科学计算模拟系统和样品制备能力发展缓慢,在光子系统实验方面取得了巨大成就,尤其是一维和二维周期光子晶体,其中之一就是光子晶体激光器的研发。光子晶体激光器是指以光子晶体为谐振腔,以第三族半导体量子阱为放大器的电控激光器。目前,这种激光器的第二大输出功率已经可以超过1.5瓦。

允许输出功率进一步提高的一个最重要的原因是,有许多不想要的谐振模式不会导致激光器的显示上升。甄波说:我们在激光器中引入了一圈无法解释的点,或者说无法解释的环,所以那些经过验证的共振模式很难与我们想要的共振模式竞争。计算结果表明,利用我们的未解释环设计,现有光子晶体激光器的输出功率可以提高约10倍。

甄波告诉他记者:近年来,研究人员在非厄米波系统及其宇称时间反转对称性的研究,特别是非厄米光子学的研究方面取得了许多重要突破。他的研究就是一个例子。希望以后更好的研究能为我们打开了解非隐士世界的大门。


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