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20年预测终于证实!来自激光的美妙三维分形光!

信息来源:jjjlll.com   时间: 2019-08-17  浏览次数: 36

20年预测终于证实!来自激光的美妙三维分形光!

分形图案在自然界中很常见,包括龟壳的几何图案、蜗牛壳的结构、肉质植物的叶子,这些叶子会不断重复以形成复杂的图案,还有冬天汽车挡风玻璃上的霜冻图案。分形具有多重尺度上结构重复的几何特征,从罗马花椰菜到蕨类植物,甚至在盐田、山脉、海岸线和云朵等更大尺度上都可以发现分形。树和山的形状也是自相似的,树枝看起来像一棵小树,岩石露头看起来像一座小山。在过去的二十年里,科学家们预测分形光可以用激光产生。由于其高度抛光的球形镜面,激光几乎是与自然完全相反,因此当研究人员在1998年预测出一类激光器发出的分形光束时,这让人感到意外。

20年预测终于证实!来自激光的美妙三维分形光!

博科园-科学科普:现在来自南非和苏格兰的一个研究小组证明了激光可以产生分形光,验证了20年来的预测!本月发表在《物理评论A》上的一篇研究论文中,该研究小组首次为简单激光发出的分形光提供了实验证据,并提出了一个新的预测:分形图案应该存在于三维空间中,而不像之前认为的仅仅存在于二维空间中。大自然通过一个简单规则的多次递归来创建这种“模式中的模式”,例如,生成一片雪花。计算机程序还通过反复循环规则生成分形,著名的是生成了抽象曼德尔布罗特集合。激光器内部的光也会来回循环,每次经过时在镜子之间来回反射,这样就可以在每次往返时将光反射到镜子内部。

20年预测终于证实!来自激光的美妙三维分形光!

分形图案的横截面,由Wits结构光实验室的激光器产生。图片:Wits University

这看起来就像一个递归循环,一遍又一遍地重复一个简单的规则。成像意味着每次光线返回到成像平面时,它都是原来的图像的一个更小(或更大)的版本:一个模式中的一个模式中的一个模式。分形在成像、网络、天线甚至医学上都有应用。研究小组希望,可以直接用激光设计的分形光的发现,将为基于这些奇异的结构光状态的新应用和技术打开大门。威特沃特斯兰德大学的安德鲁·福布斯教授和格拉斯哥大学的约翰内斯·古特尔教授共同领导了这项研究。在流行科学领域,混乱被称为‘蝴蝶效应’,一个地方的小变化会在另一个地方产生大变化——例如,一只蝴蝶在亚洲扇动翅膀,在美国引发了一场飓风,这已经被证明是真的。

由Wits结构光实验室激光器产生的几种分形光图案。图片:Wits University

在解释分形光的发现时,研究团队意识到在激光中寻找分形的重要性。如果你看错了激光内部的位置,只会看到一团模糊的光,在正确的位置,成像发生的地方,会看到分形。该项目将格拉斯哥团队的理论专业知识与Wits和CSIR(科学与工业研究理事会)研究人员在南非进行的实验验证相结合。这个实验的最初版本是由Darryl Naidoo博士(CSIR和Wits的成员)完成的,Hend Sroor博士(Wits的成员)作为她博士的一部分完成。令人惊讶的是,正如预测的那样,演示这种效果的唯一要求是使用一个简单的激光器和两个抛光的球面镜,它一直都在那里,只是很难看到你是不是在看正确的地方。

用于创建光分形图案的激光仪器装置。图片:Wits University

博科园-科学科普|研究/来自: 金山大学

参考期刊文献:《物理评论A》

DOI: 10.1103/PhysRevA.99.013848

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