扭曲的爱迪生：明亮的椭圆偏振白炽灯

【蜂耘网 激光光学】在微米和纳米尺度上卷曲的细丝，产生的光波在传播过程中会旋转。

密歇根大学的研究人员发现，用类似于爱迪生灯泡的技术可以产生明亮、扭曲的光。这一发现为基础物理学增加了细微差别，同时为机器人视觉系统和其他在空间中追踪螺旋的光的应用提供了新的途径。

“当用电子或光子发光等传统方式产生扭曲的光时，很难产生足够的亮度，”密歇根大学化学工程助理研究员、本周《科学》杂志封面上这项研究的第一作者陆军（音译）说。

“我们逐渐注意到，我们实际上有一种非常古老的方法来产生这些光子 —— 不依赖于光子和电子激发，而是像爱迪生发明的灯泡一样，”他补充说。

每一个有热量的物体，包括我们自己，都在一个与其温度相关的光谱中不断地发射光子（光的粒子）。当物体的温度与其周围环境相同时，它也会吸收等量的光子 —— 这被理想地称为“黑体辐射”，因为黑色会吸收所有的光子频率。

虽然钨丝灯泡（白炽灯）的灯丝比它周围的环境要热得多，但定义黑体辐射的定律 —— 普朗克定律 —— 提供了一个很好的近似它发出的光子光谱。所有可见光子加在一起看起来就像白光，但是当你把这些光穿过棱镜时，你可以看到其中不同光子组成的彩虹。

这种辐射也是你在热图像中显得明亮的原因，但即使是室温的物体也在不断地发射和接收黑体光子，使它们也隐约可见。

通常，发射辐射的物体的形状没有得到太多的考虑 —— 在大多数情况下（在物理学中经常如此），物体可以被想象成一个球体。但是，虽然形状不会影响不同光子的波长光谱，但它可以影响不同的特性：它们的偏振。

通常来自黑体源的光子是随机极化的 —— 它们的波可以沿任何轴振荡。新的研究表明，如果发射器在微纳米尺度上被扭曲，每次扭曲的长度与发射光的波长相似，黑体辐射也会被扭曲。光中扭曲的强度，或其椭圆偏振，主要取决于两个因素：光子的波长与每次扭曲的长度有多接近，以及材料的电子特性 —— 在这种情况下是纳米碳或金属。

扭曲的光也被称为“手性”，因为顺时针和逆时针的旋转是彼此的镜像。这项研究是为了证明密歇根大学团队想要进行的一个更实用的项目的前提：使用手性黑体辐射来识别物体。他们设想机器人和自动驾驶汽车可以像螳螂虾一样看东西，区分不同旋转方向和扭曲程度的光波。

“手性纳米结构在黑体辐射物理学方面的进步是这项研究的核心。这样的排放者在我们周围无处不在，”尼古拉斯·科托夫说，他是欧文·朗缪尔化学科学与工程杰出教授，美国国家科学基金会复杂粒子和粒子系统中心（COMPASS）主任，也是该研究的通讯作者。

他补充说：“例如，这些发现可能对自动驾驶汽车区分鹿和人很重要，它们发出的光波长相似，但螺旋度不同，因为鹿的皮毛与我们的织物有不同的卷曲度。”

虽然亮度是这种方法产生扭曲光的主要优势，比其他方法亮100倍，但光包括波长和扭曲的广谱。该团队对如何解决这个问题有一些想法，包括探索建立一种依赖于扭曲发光结构的激光器的可能性。

科托夫还想进一步探索红外光谱。在室温下黑体辐射的峰值波长大约是10000纳米或0.01毫米。

科托夫说：“这是一个有很多噪音的光谱区域，但可能通过椭圆偏振来增强对比度。”

这项研究是由国家科学基金会通过COMPASS和海军研究办公室支持的。

科托夫也是Joseph B. and Florence V. Cejka工程教授，大分子科学与工程教授，以及U-M生物界面研究所的成员。陆军是新加坡国立大学即将上任的化学和物理助理教授。

该设备是在位于密歇根州北校区研究中心的康普斯实验室建造的，并在密歇根州材料特性中心进行研究。

（蜂耘激光光学网  责任编辑：行云）