人工界面改寫(xiě)光的反射和折射定律

光的折射和反射定律是幾何光學(xué)的基礎(chǔ)。但是美國(guó)哈佛大學(xué)物理學(xué)家用一系列實(shí)驗(yàn)演示了光線的傳播可以不遵從這些經(jīng)典定律。這意味著，或許有一天當(dāng)你用一塊平面鏡端詳自己容貌時(shí)，看到的卻是哈哈鏡的變形效果。

光在不同介質(zhì)中的傳播速度不一樣。當(dāng)一束光從空氣中斜射向水中，光束的傳播方向會(huì)發(fā)生改變，這就是所謂的折射現(xiàn)象。它的準(zhǔn)確表述即折射定律是很多年前由物理學(xué)家斯涅爾、數(shù)學(xué)家笛卡爾以及費(fèi)馬確立的。這一定律表明，光線在界面的折射角僅由光在兩種物質(zhì)中的傳播速度決定。而早在古希臘時(shí)期由歐幾里德發(fā)現(xiàn)的反射定律更簡(jiǎn)單：光的反射角等于入射角。

經(jīng)典的反射和折射定律都很自然地認(rèn)為一個(gè)界面僅僅是區(qū)分兩種物質(zhì)的理想邊界，換句話(huà)說(shuō)，是兩種介質(zhì)而不是它們的截面影響了光的傳播。哈佛大學(xué)研究人員的創(chuàng)新在于意識(shí)到界面可以成為決定光的傳播的因素。他們的實(shí)驗(yàn)表明，精巧設(shè)計(jì)的界面能夠干預(yù)光的傳播。

研究人員利用硅片和空氣界面處一層薄薄的金屬陣列來(lái)演示一系列違背經(jīng)典反射和折射定律的現(xiàn)象。這個(gè)陣列中的每個(gè)組成單元都類(lèi)似微小的英文字母“V”，其大小和間距都遠(yuǎn)小于光的波長(zhǎng)以及入射光束橫截面的尺寸。這些“V”字形的單元的大小、夾角和朝向都不同，這樣設(shè)計(jì)是為了控制光波和不同單元的相互作用時(shí)間：每個(gè)金屬“V”都類(lèi)似一個(gè)光的陷阱，能夠?qū)⒐獠?ldquo;囚禁”一段時(shí)間再釋放出來(lái)。

陣列的設(shè)計(jì)使得這個(gè)“囚禁”時(shí)間沿界面從右向左線性增加，這樣即使垂直入射，光束不同部分經(jīng)歷不同的時(shí)間延遲，透射以及反射光束就不再沿著垂直于界面的方向傳播了。而當(dāng)光以?xún)A斜的角度入射，按不同的“界面”設(shè)計(jì)，反射和折射光可以被操縱朝向任何方向。反射角不一定等于入射角，反射光甚至可以被“反彈”回光源方向，而不是像一般情況那樣折向遠(yuǎn)離光源方向。這就是平面鏡可以有哈哈鏡的效果的原因。

這項(xiàng)成果2日發(fā)表在美國(guó)新一期《科學(xué)》雜志上，第一作者虞南方目前在哈佛大學(xué)工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院做博士后研究，虞南方2004年本科畢業(yè)于北京大學(xué)電子學(xué)系，2009年在哈佛大學(xué)獲博士學(xué)位。

利用界面來(lái)控制光束不同部分的時(shí)延是一個(gè)具有革新意義的概念。虞南方告訴新華社記者，他們已用這種人工界面產(chǎn)生了“光渦旋”，這種奇異的光束在空間里螺旋前進(jìn)，因而可以用來(lái)操縱旋轉(zhuǎn)微小的懸浮顆粒。他預(yù)計(jì)，這一概念將衍生出一系列有用的光學(xué)元件，比如可以糾正相差的超薄平面聚焦鏡片、可以采集大范圍入射陽(yáng)光的太陽(yáng)能匯聚裝置。哈佛大學(xué)目前已就這一成果提出專(zhuān)利申請(qǐng)。