物理学光学物理光学波动光学量子光学(quantum optics)

如何看待光线能以螺旋方式传播?将有哪些应用?

问题描述

地铁风
不会撸程序的设计狮不是好科研狗

媒体又晚了一步⋯⋯ 光线早在 92 年的时候就可以「螺旋形传播」了 23333。我顺着这个 science 找到了这篇文章 doi.org/10.1103/PhysRev

这篇文章简单地说就是指出光的轨道角动量和自旋是两个独立的物理量,自旋很简单就是偏振。而轨道角动量可以由某种高斯光束在柱坐标高阶展开得到,具体的数学我也没看,反正大概就是和球协函数类似的某种正交完备基。然后文章给出了动量流密度的公式

{\cal \vec{P}} = \frac1c \left( \frac{rz}{z^2 + z_R^2} |u|^2 \hat{r} + \frac{l}{kr} |u|^2 \hat{\phi} + |u|^2 \hat{z}\right)

// 很显然这种光在中心的强度必须是 0,否则宇宙会自爆~~ ← 我瞎说的
可以看出当 l \neq 0 的时候动量有切向分量,所以这玩意的坡印亭矢量长这样:

对,这就是「螺旋形传播」的光了。不知道当年有没有媒体搞个大新闻⋯⋯ 这玩意的波前也是螺旋形的,具体它到底是怎么振动怎么传播的,反正我是没法直观地想象出来⋯⋯ 从这里也可以看出这种光和一般的圆偏振是不一样的。圆偏振的光,坡印亭矢量依然是直着走的。

和自旋一样,带轨道角动量的光通过介质时也会给介质施加一个扭矩。写到这我突然觉得这玩意可以搞成电动力学课的大作业或者 take home 期末考试题。

今年这个 Science 文章我只是大概看了下摘要,看起来大概就是两束这种光在某些特殊条件下叠加在一起然后发生了一些奇怪的事情。不过我以前不是搞这个的,不知道为毛这文章能上 Science⋯⋯


顺便上个 Quake 2 截图~~

题图无关, 嗯。

30 赞同 4 感谢 19 收藏 11 条已备份评论 发布于 2019-07-03 知乎原页 ↗

评论 11

吃瓜群众问一句啊,光真的螺旋前进了吗?
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风中追风回复 海伯利安
你要不要先去找科普视频波粒二象性
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海伯利安回复 风中追风
虽然听起来你是在嘲讽,但是这跟波粒二象性有什么关系?
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风中追风回复 海伯利安
没有嘲讽,因为我不懂问题就去自己找视频,光螺旋前进首先就要知道光的波粒二象性,然后再理解光的自扭矩特性。
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地铁风回复 海伯利安作者
我也吃瓜啊,电动和光学都忘光了……

你看 Poynting 矢量都拐弯了么~~ 但是要取物理的(宏观的?)能流密度大概是要取个平均?这样它就又指向 z 方向了?
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引磁场论回复 海伯利安
确实是螺旋前进[思考]因为空间在光速螺旋前进,而光子其实是静止在空间中被带着运动的(猜想,未经验证)
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看的过程中:嗯,每个名词每个术语以前都学过[思考]
看完之后:所以这些词连起来是啥意思啊?[捂脸]
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不高人十年前就推论出来,光线和电磁波必须螺旋线轨迹运动,推论被证实了 ,你为什么不去问问不高人是怎么推论出来的?为什么太阳八大行星必须螺旋线轨迹运动?
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