中佛罗里达大学的研究人员开发了一种新型激光束，它不遵循人们长期以来对光线如何折射和传播的原则。

这一发现发表在最近一期的《自然光子学》杂志上，可能对光通信和激光技术产生巨大影响。

这项研究的主要研究者，UCF光学与光子学学院教授Ayman Abouraddy说：“这种新型激光束具有普通激光束所不具备的独特特性。”

这些被称为时空波包的光束在通过不同材料时发生折射，遵循不同的规律。通常情况下，光在进入密度较大的物质时会慢下来。

Abouraddy说：“相反，时空波包可以按照通常的方式排列，不改变速度，甚至在密度更大的材料中异常加速。因此，这些光脉冲可以在同一时间到达空间的不同点。”

阿布拉迪说：“想想充满水的玻璃杯中的汤匙在水和空气相遇的点看起来如何折断。”“光在空气中的速度与光在水中的速度不同。所以，光线在穿过表面从空气到水的过程中弯曲了，所以勺子看起来是弯曲的。这是由斯涅尔定律描述的一个著名现象。”

Abouraddy说，尽管斯涅尔定律仍然适用，但脉冲速度的潜在变化不再适用于新的激光束。他说，这些能力与费马原理相悖，费马原理认为光总是以最短路径传播。

Abouraddy说：“我们在这里发现，无论光通过的材料有多么不同，总有一个时空波包可以穿过两种材料的界面而不改变它的速度。”“所以，无论介质的性质是什么，它都会穿过界面并继续传播，就好像它不存在一样。”

对于通信来说，这意味着信息在这些包中传播的速度不再受通过不同密度的不同材料的影响。

Abouraddy说：“如果你想象一架飞机试图与两艘潜艇在相同的深度进行通信，但一艘离你很远，另一艘离你很近，远的那艘会比近的那艘产生更长的延迟。”“我们发现，我们可以安排脉冲传播，让它们同时到达两艘潜艇。事实上，发送脉冲的人甚至不需要知道潜艇在哪里，只要他们在相同的深度。所有这些潜艇都将同时接收到脉冲，所以你可以在不知道它们所在位置的情况下盲目同步它们。”

Abouraddy的研究小组通过使用一种被称为空间光调制器的设备来重组光脉冲的能量，使其在空间和时间中的属性不再分离，从而创造了时空波包。这使得他们能够控制光脉冲的“群速度”，也就是脉冲峰值传播的速度。

之前的工作已经显示了该团队控制时空波包群速度的能力，包括光学材料。目前的研究建立在这项工作的基础上，发现它们也可以控制时空波包通过不同介质的速度。这与狭义相对论并不矛盾，因为它适用于脉冲峰值的传播，而不是光波的底层振荡。

“我们正在开发的这个新领域是光束的一个新概念，”Abouraddy说。“因此，我们使用这些光束观察的每件事都揭示了新的行为。我们所知道的关于光的所有行为实际上都隐含着一个假设，即它在空间和时间中的属性是可分离的。所以，我们在光学中所知道的都是基于这个。这是一个内在的假设。它被认为是事物的自然状态。但现在，打破了这种基本假设，我们开始在各地看到新的行为。”

该研究的共同作者是巴桑塔·巴杜里(Basanta Bhaduri)和穆拉特·耶赛诺夫(Murat Yessenov)。巴桑塔·巴杜里是第一作者，曾是加州大学旧金山分校光学与光子学学院(UCF’s College of optical and Photonics)的研究科学家，现在在加州的布鲁克纳米表面公司工作。

Bhaduri在《光学快报》和《自然光子学》等期刊上读到Abouraddy的研究后，对他的研究产生了兴趣，并于2018年加入了Abouraddy的研究团队。在这项研究中，他帮助开发了概念，设计了实验，并进行了测量和分析数据。

他说研究结果在很多方面都很重要，包括它开辟的新的研究途径。

Bhaduri说：“时空折射违背了我们从费马原理中得出的预期，并且为塑造光的流动和其他波现象提供了新的机会。”

耶赛诺夫的工作包括数据分析、推导和模拟。他说，他之所以对这项工作感兴趣，是因为他想探索更多关于量子纠缠的问题。量子纠缠是指在量子系统中，两个分离良好的物体之间仍然存在联系。

耶赛诺夫说：“我们相信时空波包可以提供更多的功能，使用它们可以揭示更多有趣的效果。”

Abouraddy说，下一步的研究包括研究这些新的激光束与激光腔和光纤等设备的相互作用，此外还将这些新发现应用到物质而不是光波上。

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