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-如何产生并记录一个“光子马赫锥”?


【鸭脖娱乐】出版社:本文作者是中国科学院光学工程博士蜗牛君。(微信官方账号:)独家亮相。我坚信,“音爆”这个词对很多人来说并不陌生。

当物体的运行速度低于音速并突破音障时,由于物体本身不能快速传输空气,逐渐在物体的波面上积累官员,但很少形成冲击波面,声能高度集中在冲击波面上。当这些能量传遍人们的耳朵时,人们在一段时间内不会感觉到极度令人厌恶的爆炸,这就是所谓的“音爆”。当一个物体以超音速飞行时,除了音爆之外,不会经常出现所谓的马赫锥。“马赫锥”是指以物体为顶点,以超音速在大气中运动时,将空间分为扰动区和未扰动区的圆锥体。

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这个圆锥体不会使空气快速传输,所以空气中的水蒸气会迅速液化成水雾,使得飞机的马赫锥被拍摄下来,成为军事爱好者的一大体验。图1超音速飞机产生的马赫锥(图片来自网络)说明空气中产生的马赫锥是声源速度小于声音传播速度造成的。在某种程度上,如果光源的速度小于周围光速,理论上就不存在“光子马赫锥”。乍一看这是谬论,因为真空中光速是宇宙的极限速度。

即使在折射率为n的介质中,光速减慢(cn=c/n),但仍然远远落后于人类目前的科技手段。于是,科学家们设计了一个精巧的实验,他们在折射率为ns的衍射介质中注入一束非脉冲激光束,脉冲光作为新的光源照亮沿途的衍射介质。在这种情况下,光源的速度等于光在衍射介质中的速度(c/ns)。

那么如何降低散射光的传播速度呢?科学家们在衍射介质的两侧放置了一种折射率(nd)较高的介质,使散射光的传播速度为c/nd。因为nsnd,可以建立光源速度小于周围光速的目的,如下图右图所示。图2散射光脉冲诱导的光子马赫锥单次实时视频记录的原理不难解释,客观来说,产生这样的光子马赫锥并不难,但很难动态记录这个锥。与音爆产生的马赫锥不同,这个光子产生的马赫锥速度太快,普通相机根本无法捕捉到这样的图像。

因此,科学家们使用了一种叫做“条纹相机”的超高速扫描相机来实现这一目的。“条纹相机”就是类似的设备,可以构建超高时间分辨率的光学记录。

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但它的原理并不简单,类似于类似的“示波器”。示波器是生活中不可多得的仪器设备,其基本设计理念类似于老式的CRT电视。

通过周期性改变扫描电场,使不同时间发射的电子在显示屏上向不同的方向移动,从而可以构建按时间分离输出信号的目的,并且时间分辨率互不相同。然而,扫描中常用的电场和磁场对光子不起作用,因此科学家设计了一种类似的光电融合方法来实现这一目的。

图3是通用条纹相机的示意图。图3是典型条纹相机的示意图。从外界输出的光信号随时间变化,通过狭缝和透镜系统后到达光阴极。

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由于光电效应,光阴极不会发出与光子量成正比的电子。电子在电场中加速(图中从左向右纵向加速),到达电子倍增器(MCP),轰击荧光屏或CCD,可以仔细观察和记录信号。

关键是从光阴极到电子倍增器的过程中,电子不会通过一个扫描电极区域,在这个区域不会产生垂直扫描电场。 当扫描电场的大小和方向改变时,到达电子倍增器的电子取向不会改变。因此,如果扫描电极的电场以一定的频率周期性变化,就不会构成“光学示波器”的功能。通过这种精巧的设计,科学家们成功地实现了超高分辨率的光学记录。

在这次“光子马赫锥”实验中,条纹相机的记录速度超过了令人难以置信的每秒一万亿帧,成功记录了“光子马赫锥”,如图4右图所示,其中时间单位为皮秒(1ps=10(-12)s)。图4动态记录的“散射光脉冲诱导的光子马赫锥的单次实时视频记录”。

以下视频是实验的动态结果:特别投稿,未经许可禁止发表。以下是发布通知。|鸭脖娱乐。

本文来源:-www.maranaldc.com

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