声音控制灯光 04.02.2015

上世纪初，苏联物理学家列昂尼德·曼德尔斯塔姆（Leonid Mandelstam）从理论上证明，透明物质中的声音振动可以散射穿过这种物质的光。 声波会引起介质密度的局部变化，从而改变折射率。 由于这种散射，部分光能损失了。 美国物理学家 Leon Brillouin 独立于 Mandelstam 得出了相同的结果。 因此，透明介质中声光的相互作用被称为曼德尔斯坦-布里渊效应。

但是，我们没有注意到响亮的音乐会散射灯泡的光，例如，汽车前灯的光会在雾中散射。 只有当我们使用单色辐射源——激光而不是普通灯泡时，这种效果才会变得明显。 事实上，激光束是一种具有一个波长的电磁辐射，它决定了它的“颜色”。 红色光束有一个波长，绿色光束有另一个波长。

现在让我们来看看光纤数据线。 它的工作原理是通过改变沿透明玻璃线传播的光束的强度来传输信息。 只需使用不同波长的光束，单根光纤就可以同时用于在数百个通道上传输数据。 每个通道对应一个特定的激光波长。 它与通过无线电波传输数据非常相似，除了一件事：如果我们增加无线电发射器的功率，那么信号功率及其接收范围就会增加。 如果我们增加激光功率以通过光纤传输信号，传输会恶化——越来越多的信号将由于曼德尔斯坦-布里渊散射而开始丢失。 因此，存在一个阈值信号功率，超过这个阈值是没有意义的，否则透射的光会简单地被反射回来。

伊利诺伊大学的物理学家做了什么？ 他们在一根细光纤束上固定了一个小玻璃球。 这种设计称为环形光学谐振器。 来自光纤灯丝的激光束进入谐振器，并由于多次内反射而保留在其中，就像在陷阱中一样。 实验的关键点是第二道激光束，其频率与原始激光束有一定的差异。 激光束频率的差异对应于球体材料的声振动频率。 这使得光纤和谐振器系统对第一束光束透明。

最令人惊讶的是，这样的系统竟然只对来自一侧的光线透明。 原来它是一种光学旋转门——光线从一侧通过，而不能从另一侧通过。 这种有趣的特性是由于材料中两种光线和声波的复杂相互作用而产生的——曼德尔斯坦-布里渊散射效应。 只有在这种情况下，他并没有阻止光束通过光纤，而是为他提供了一个自由走廊。

这些特性的发现将使制造微型光学隔离器和环行器成为可能，这些都是光纤系统以及未来量子计算机所需要的。 现在这些设备都是基于磁光法拉第效应，利用磁场和材料仅向一个方向传输光。 所做的发现将有助于摆脱不必要的磁场。 此外，它还可以用来改变光束的群速度——物理学家称之为“快”和“慢”光，需要它来存储量子信息。