光的折射和反射定律是幾何光學(xué)的基礎(chǔ)。但是美國哈佛大學(xué)物理學(xué)家用一系列實驗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，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。而早在古希臘時期由歐幾里德發(fā)現(xiàn)的反射定律更簡單：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為一個界面僅僅是區(qū)分兩種物質(zhì)的理想邊界，換句話說，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)新在于意識到界面可以成為決定光的傳播的因素。他們的實驗表明，精巧設(shè)計的界面能夠干預(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演示一系列違背經(jīng)典反射和折射定律的現(xiàn)象。這個陣列中的每個組成單元都類似微小的英文字母“V”，其大小和間距都遠小于光的波長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)計是為了控制光波和不同單元的相互作用時間：每個金屬“V”都類似一個光的陷阱，能夠?qū)⒐獠?ldquo;囚禁”一段時間再釋放出來。
陣列的設(shè)計使得這個“囚禁”時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)光以傾斜的角度入射，按不同的“界面”設(shè)計，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。
這項成果2日發(fā)表在美國新一期《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。
利用界面來控制光束不同部分的時延是一個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，因而可以用來操縱旋轉(zhuǎn)微小的懸浮顆粒。他預(yù)計，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光的太陽能匯聚裝置。哈佛大學(xué)目前已就這一成果提出專利申請。
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