光子彈的產生 Generation of light bullets

Physics 3, 107 (2010)DOI: 10.1103/Physics.3.107

Credit: Alan Stonebraker

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圖 1：（上）實驗以生產光子彈。1550nm 的雷射脈衝，170 fs的時間進入一個正六邊形的玻璃波導。非線性光學玻璃相互作用形成的原因是穩定的孤立波。部分原激光束分離出來，用於量測出脈衝的形狀。 （下）上圖顯示了一個脈衝期間經歷了時間的傳播蔓延擴散。下圖顯示了非線性效應引起的光分組保持穩定。

研究人員一直試圖產生的能被定位於三維空間中局部化的波包。這種波包在理論上存在不同的情況，如凝聚態物理，簡並量子氣體，非線性光學等，但實驗結果卻非常少。在最近研究中[1]，報告了產生時空孤子或“光子彈”局部化的電磁能量的三維傳播，儘管系統中有衍射和分散。除了科學意義，研究的時空孤波應導可以促進光與物質的相互作用的研究以及發展強光學信息處理系統。

由於材料色散, 不同的折射率隨波長而變，因此，不同波長的脈衝組成以不同的速度移動。色散可正常或異常。正色散，低頻率的移動速度比在高頻率脈衝快，而反常色散，則高頻率的較低頻移動的快。因此，一個脈衝光束傳播時會散開。

然而，非線性效應可以抵消這種效應。典型的折射率隨光強而改變，會發生自聚焦，就如同發生在一個正透鏡。自聚焦理論上可以抵銷衍射，而產生一個穩定的固定大小的光束。波包的局部穩定平衡線性和非線性效應可以產生孤子。因為無論他們是顯著的線性或非線性效，只有單獨效應時會使脈衝擴散，但在正確的組合所產生的孤子在光纖中具有很大的傳播效率。

光孤子被稱為“光子彈”，因為其有粒子性。然而，光孤子不穩定，普通的材料，如玻璃，一個精確的平衡線性和非線性效很依賴材料參數的調控。在過去的20年中，研究人員探索出了多種可能的技術以產生光子彈。第一光孤子在1999發表，但形狀是一個狹長的橢圓形[3]。因此，在一定程度上[4]，但沒有局部化。

在過去的二十年的研究中,最簡單的例子，這將是一個一維陣列光波導的平行，接近，以至於他們的消逝波重疊。重疊可以讓能量從一種波導傳到其他波導。因此，光注入波導最終將轉移到其他波導陣列中，在這個過程可以被看作是離散的衍射。所以波導陣列可以設計控制這一衍射[5]。

研究人員這種方式來穩定的3D光子彈，已被理論上討論過 [6]。這些研究人員利用了二維六角形陣列波導石英玻璃（圖 1）。波導是40毫米長，直徑 10微米，而且每一個是33微米其最近的波導。這種陣列的製備與所需的精度要以產生合適的非線性波傳播是驗最近才發展的技術。實驗是通過發射 170飛秒脈衝在1550納米波長為一個單一的波導陣列的中心，並記錄空間和時間分佈的結構。在此波長，玻璃具有反常色散。測量數值解以及實驗和計算之間的結果都證實這效果。

實驗以低功率輸入脈衝的直線傳播作為對照。顯示光從原來的波導傳播到鄰近的波導和讓脈衝拓寬，符合預期. 由於非線性效應，當峰值功率與輸入脈衝增加至約 1兆瓦，成為光局限開始產生，可以認為這是離散的自聚焦：波導之間的耦合是依強度而改變。同時，正在光孤子的平衡非線性折射和反常色散。直觀上，子彈可以被看作是一個孤立的時間停留在一波導。當然，空間和時間演化過程的耦合，因為這些進程相互影響。通過對比實驗結果跟數值模擬，研究人員得出結論，光子彈穩定長度大約是實驗設計空間的大約兩倍遠，這是首個光脈衝在空間距離超過特徵長度的方向性的傳播。

雖然最後高階效應，如拉曼散射導致的脈衝光譜紅移等會讓傳播中的光彈衰減。他們的研究仍是一個重大的進步。 展示了非線性光孤波傳播的在三維傳播的可能性。未來研究在更長的距離傳播，或是光子彈間的相互作用等，將刺激產生光子彈的其他設置。在應用上例如超快脈衝光纖通訊或許有所助益 [7]。

References

1. S. Minardi, F. Eilenberger, Y. V. Kartashov, A. Szameit, U. Röpke, J. Kobelke, K. Schuster, H. Bartelt, S. Nolte, L. Torner,F. Lederer, A. Tünnermann, and T. Pertsch, Phys. Rev. Lett. 105, 263901 (2010).
2. Y. Silberberg, Opt. Lett. 22, 1282 (1990).
3. X. Liu, L. Qian, and F. W. Wise, Phys. Rev. Lett. 82, 4631 (1999).
4. P. Di Trapani et al., Phys. Rev. Lett. 91, 093904 (2003).
5. F. Lederer et al., Phys. Rep. 463, 1 (2008).
6. A. Aceves et al., Opt. Lett. 19, 329 (1994); L. Berge, Phys. Rep. 303, 259 (1998); D. Mihalache et al., Phys. Rev. E70,055603 (2004).
7. R. Macleod, K. Wagner, and S. Blair, Phys. Rev. A 52, 3254 (1995).

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