受控等效光速调制原理及应用研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 1.23MB 63 页 15积分
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目 录
摘 要................................................................................................................................................ 1
ABSTRACT ....................................................................................................................................... 1
第一章 绪论.......................................................................................................................................1
§1.1 概述................................................................................................................................. 1
§1.2 研究背景和意义.......................................................................................................... 2
§1.3 研究现状和前景.......................................................................................................... 3
§1.4 论文的主要工作和结构............................................................................................ 4
第二章 光速调制理论分析........................................................................................................... 6
§2.1 光速.................................................................................................................................. 6
§2.1.1 自由空间中的光速..........................................................................................6
§2.1.2 信号速度............................................................................................................ 9
§2.1.3 自由空间中电磁波的能速.......................................................................... 10
§2.2 光在色散介质中的传播........................................................................................... 15
§2.2.1 结构色散.......................................................................................................... 15
§2.2.2 材料色散.......................................................................................................... 15
§2.3 光速调制原理.............................................................................................................16
§2.3.1 量子隧道效应及其导致的超光速............................................................ 16
§2.3.2 均匀加宽介质中的光谱烧孔技术............................................................ 21
§2.3.3 电磁诱导透明技术........................................................................................25
§2.4 小结................................................................................................................................ 27
第三章 受控等效光速调制方案及实现.................................................................................. 28
§3.1 总体方案设计..............................................................................................................28
§3.1.1 周期结构介质中受控等效光速调制理论模型..................................... 28
§3.1.2 周期结构介质的实现................................................................................... 36
§3.1.3 磁致旋光原理................................................................................................39
§3.1.4 拍波原理......................................................................................................... 44
§3.2 光路设计与实验原理...............................................................................................46
§3.3 硬件设备与材料选取...............................................................................................47
第四章 数值模拟与分析..............................................................................................................48
§4.1 MATLAB 数值模拟................................................................................................. 48
§4.1.1 MATLAB 对偏振光干涉的模拟..............................................................48
§4.1.2 MATLAB 对驻波和“拍波”模拟.........................................................49
§4.2 OptiBPM 数值模拟...................................................................................................50
§4.2.1 OptiBPM 对周期结构介质的模拟.......................................................... 51
§4.2.2 OptiBPM 对光在周期结构介质中传输情况的模拟.......................... 52
第五章 结束语................................................................................................................................ 57
参考文献............................................................................................................................................59
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.................................................... 61
致 谢.............................................................................................................................................. 62
摘 要
科学技术的发展要求人们对光速的研究更进一步，作为国家自然科学基金项
目(No.60472023)“全光受控时延信号处理系统研究”的一部分，本文对光在介质
中的传播行为进行了深入研究，探讨了实现受控等效光速调制的方法，利用该方
法将有用信号加载于受调制的光波上进行传输，从而实现信号的时延，能满足某
些特殊环境下传感探测的要求。
光是电磁波的一种，本文从电磁波的波速入手，从理论上分析了光波相速度、
群速度、能量速度和信号速度的微观机理。推导了实现光速改变的条件：在正常
色散介质中，会出现光速减慢现象；在反常色散介质中，会出现超光速现象。实
现光速调制，一般有三种方法：一、利用量子隧道效应，在粒子隧穿量子势垒时，
有超光速现象；二、利用电子诱导透明技术，用一束控制光束（频率要精确选择）
与介质相互作用，削弱色散介质的吸收，从而使介质对另一束不同频率的光透明，
该光束在透过介质时有减慢现象；三、利用光谱烧孔技术，其原理是饱和吸收体
基态粒子数受抽运光周期性调制，以抽运光和探测光的拍频振荡，在一定条件下，
就会在介质的吸收谱中产生一个烧孔，探测光能够穿过，穿过的探测光光速有减
慢现象。
本文使用折射率呈周期分布的光折变材料实现光速调制，当空间不均匀的光
强分布是两束相干光(一束抽运光,一束信号光)的干涉条纹时，将在光折变材料中
形成折射率正弦调制的光折变位相光栅。这种光折变位相光栅将同时影响两束相
干光在电光材料中传播时的位相和光强变化。信号光由于位相耦合效应而引起位
相变化，与另一束参考光同时输出在示波器上，信号光的波形会有一个时延，这
个时延等效于光速调制。对光速调制的进一步研究可以研制多种物理量传感器和
光信号处理器。
关键词: 光速调制 周期结构 位相变化 磁光效应
ABSTRACT
The development of science and technology requires further study on the speed of
light, As part of the National Natural Science Foundation project (No.60472023)
"All-optical controlled Time-delay signal processing systems ", this article takes a
deeply research into the behavior of light transmitting in media, discusses the method
of realizing controlled equivalent light speed modulation and further apply this method
by using the modulated light as carrier to transport signals. In the lab, we observed
desired signal time delay, which indicated some potential practical applications.
Light is a kind of electro-magnetic wave, so the speed of phase, group, energy and
signal of electro-magnetic wave is analyzed theoretically to deduce the characteristics
of light. And we know that in abnormally dispersive media the light speed excels the
one in vacuum. To realize the speed modulation of light, there are three traditional
methods. One is according to the quantum tunneling effect, particles move faster than
light in vacuum while tunneling energy rampart. Another is by means of electron
inducement. And the third is by using the technology of laser.
In this article, the periodically distributed index in the photorefractive material is
used to modulate light speed. While the unevenly distributed intensity of two laser
beams (one as pumping and the other as signal) interference with each other in the
material to form a coherent field, a sine-modulated distribution of refractive index ,or a
Bragg-grating is formed inside the material. The Bragg-grating affects both the
amplitude and phase of the two beams which pass the photorefractive material. The
signal beam bears a shift of phase because of the phase coupling effect with the other
beam. When displayed on the oscilloscope with the other beam, the signal appears to
be delayed by a period of time which is the indication of modulation of light speed.
Further studying on the modulation of the speed of light can develop various physical
parameters sensors and optical signal processors.
Key words: Modulation of the speed of light, Periodic structure, Phase
shift, Magneto-optical effect
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 概述
作为20世纪自然科学最伟大的发现之一, 相对论揭示了高速运动物体的力学
规律, 从根本上改变了经典物理学关于时间、空间和运动的概念, 建立了新的时
空观。相对论是现代宏观物理学的基石, 当代科学技术的许多发现和发明, 都直
接或间接地得益于相对论。
狭义相对论的基础是两条基本原理[1]:相对性原理和光速不变原理。其中相对
性原理是经典力学相对性原理的推广, 与伽利略相对性原理在本质上是不矛盾
的，而光速不变原理则和经典理论中的概念完全不同。正是光速不变原理引出了
相对论中全新的时空观, 展现了同时的相对性、时间膨胀、长度收缩等一系列在
经典物理学中闻所未闻的奇妙现象。
19世纪后半叶, 光速的精确测量为光速的不变性提供了实验依据。迈克尔逊
--莫雷实验表明在沿着地球运动方向和垂直于地球运动方向的光速并没有区别，
从而否定了绝对参考系的存在。爱因斯坦以其敏锐的洞察力，首先意识到这一现
象揭示了一条基本物理原理, 称之为光速不变原理[2]。爱因斯坦在他的论文《论动
体的电动力学》中是这样表述光速不变原理的：“任何光线在静止的坐标系中都
以确定的速度v运动着, 不管这条光线是由静止的还是由运动着的物体发射出来
的”。这一段话对光速不变原理的描述并不完全,事实上,光速不变原理应包括两
个方面的内容:一、光速与光源的运动无关,二、光速不依赖于观察者所在的参考
系,即对于彼此作匀速直线运动的任一惯性参考系来说,光在真空中的传播速度都
是相等的。其中第二点才是光速不变原理的精髓所在,狭义相对论各种效应,都来
源于这一点。
自相对论诞生之日起，就形成了一个主流的看法，认为超光速运动是不可能
的。理由是：相对论的许多基本公式中，都含有一个因
2
1 ( / )v c
，如果物质运
动速度
v
超过光速
c
的话，根号成为虚数，它将导致物质的多个物理量变成虚数而
失去意义，同时也会造成时序颠倒，为因果律所不容。这种看法其实是一种对相
对论公式的误解。但也由此引起了科学家对光速研究的兴趣，世界各地的很多实
验室、研究所和科研小组都在这个领域进行了非凡的工作，陆续发表了一些极具
价值的论文，掀开了有关光速研究的新篇章[3]。
受控等效光速调制原理及应用研究
2
§1.2 研究背景和意义
1873年J.C.Maxwell从理论上证明了光与电磁波的同一性，人们知道了自由空
间的电磁波波速就是真空中的光速[4]。1887年，H.Herts根据J.C.Maxwell的预期发
现了电磁波。从表面上看电磁波的速度不再是一个值得深入研究的题目，但实际
上却绝非如此。我们知道，电磁波只是自然界中各种波动形式中的一种。早在电
磁波被发现前，西方科学家就已经对波动理论做了许多研究，出现了相速、群速、
快波和慢波、能速和信号速等概念[5]。德国物理学家A.Sommerfeld和法国物理学家
L.Brillouin在波速方面所做的先驱性科学工作近年来重新受到人们的重视。自20世
纪90年代以来，与电磁波波速有关的科学文献大量增加，它们对超光速、极慢光
速、光的负折射率异常传播、光速不变性等问题进行了广泛的研讨。
1995年，董晋曦发表了一篇英文文章“检验光速不变假设的新方法”，文章认
为“光速与传播方向无关”一直未能以明确的实验结果给出证明[6]。作者“经过多
年研究找到一种新方法，即用高频脉冲光源取代连续光源做Michelson实验……由
不同方向上光脉冲飞行时间的差异来判断光速的微小变化”。文章认为，Michelson
实验的零结果不足以完全判断光速不变，因为光的波动特性可能会补偿由于光速
改变产生的效应，故必须用飞行时间法直接测量光信号经过一段距离的时间，以
克服干涉法的缺陷。飞秒激光脉冲技术的飞速发展为该文章建议的方法创造了可
能。文章最后指出，新的实验将得出光速可变的结论。
1999年，英国伦敦帝国学院J.Magueijo、加州大学Davise分校A.Albrecht以及英
国剑桥大学J.Barrow共同提出“光速可变理”（varying speed of light theory，VSL）
比较引人注目[7]，并发表题为“光速随时间而变—宇宙学疑迷的一个解答”文章。
VSL的要点是说。宇宙学中的一般理论由于遵循光速永远不变的假设而无法解释早
期宇宙为何如此均匀，暴涨理论则认为早期宇宙的膨胀极快，故光速穿越距离非
常大。
VSL理论认为，早期宇宙光速比现在快很多，正是运动极快的光把互相隔离
的区域联系起来并趋于均匀。可能快到什么程度呢？VSL理论提出者说，例如达到
9
10v c
是可能的……。由此我们发现，光速研究与光速不变或者说光速可变研究
密切相关。
2001年，澳大利亚新南威尔士大学教授John Webb领导的研究组利用设在美国
夏威夷的世界最大天文望远镜观察分析某些类星体后发现，宇宙诞生以来光速有
轻微的变化[8]。实验观测了17个可能伴有黑洞的高亮度类星体，通过光谱分析得出：
亿万年前的精细结构常数(它与光速密切相关)比现在小1%。若该研究成果获得确
认，Einstein的光速恒定不变的理论就错了，粒子物理中的标准模型亦需修正。我
国《科技日报》于8月17日头版报道了这个消息，标题是“爱因斯坦光速恒定不变
第一章 绪论
3
理论可能有误—科学家研究发现光速并非恒定不变”，《科学时报》于8月23日作了
报道，标题是“科学家发现光速可随宇宙演变而变化”。8月27 日 ， 美 国
《Phys.Rev.Lett.》杂志发表了J.Well等人的文章“精细结构常数的宇宙演化证据”，
它并未提供1%的
变化，而是比这个值小的多。但文章引述了其他人的研究结果，
确有达到1%的(甚至更大一些)。
比标准值小的事实被认为是光速大于
c
的证明。
近几年来，极慢光速的研究工作也取得了一些重要结果。其中以1999年2月《自
然》(Nature)发表的“Light speed reduction to 17 meters per second in a ultracold atomic
gas”最为著名[9]。L.V.Hau等人在超冷钠原子气体中，利用电磁感应透明(EIT)技术
得到了
17 /
g
v m s
的光脉冲群速度。进入2001年后，极慢光速研究又有新突破，
Phys.Rev.Lett.杂志上，连续发表两篇文章表明，科学家目前可以把光速减为零，也
就是说，可以使光停止并储存起来。
人类对光速的研究已经持续了好几个世纪了，从认识、了解到深入研究是一
个循序渐进的过程，从接受爱因斯坦的光速不变原理、到超光速研究、再到光速
减慢和极慢光速研究，每一个在光速研究领域从事科研的人员都做出了卓越的工
作，发表了大量有价值的学术文章。对于超光速的研究有助于人们理解爱因斯坦
的相对论和宇宙大爆炸理论，使人们对地球的诞生、生命的起源能够做进一步的
探索，对光速减慢和极慢光速的研究可以从科学研究和实际应用两个方面来讨论：
在科研方面，通过光速减慢研究可以加深人们对光与物质相互作用本质的理解，
更进一步发现其中的物理规律，光速减慢过程中介质所呈现出来的强非线性效应
也为非线性光学开辟了新的研究领域；在实际应用方面，极慢光速可以用于光开
关、光存储、光延迟，这在光通信、光传感以及激光雷达等方面有着巨大的应用
价值。
§1.3 研究现状和前景
20世纪90年代到2000年，国际上有几个超光速实验(superluminal experiments)
发表[10]，它们引起了中国科学家的关注。1995年10月，中国科学院物理研究所的
王云平和张殿林发表了题为“复形、光路不定性和超光速传播”的英文论文，文
章主旨为：当光子通过某个区域，而其中超过一个光路可选用时，光子的几率波
的这些模式相互干涉，光子波包将发生复形过程。在一定条件下，复形使波速加
快，造成一种视在超光速传播。在已有的光频超光速实验中，有3个最有典型性，
即Chiao小组（光子通过固体介质）、Krasz小组（激光窄脉冲通过固体介质）和王
力军小组的实验（激光脉冲通过气体介质）。
极慢光速研究最初是由美国Havard大学的L.V.Hau等人在1999年实现的，实验
摘要：

目录摘要................................................................................................................................................1ABSTRACT.......................................................................................................................................1第一章绪论.....

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作者：赵德峰 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：63 页 大小：1.23MB 格式：PDF 时间：2024-11-19

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