人工界面改寫光的反射和折射定律

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　　新華網華盛頓９月２日電（記者任海軍）光的折射和反射定律是幾何光學的基礎。但是美國哈佛大學物理學家用一係列實驗演示了光線的傳播可以不遵從這些經典定律。這意味著，或許有一天當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。

　　光在不同介質中的傳播速度不一樣。當一束光從空氣中斜射向水中，光束的傳播方向會發生改變，這就是所謂的折射現象。它的準確表述即折射定律是很多年前由物理學家斯涅爾、數學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中的傳播速度決定。而早在古希臘時期由歐幾裏德發現的反射定律更簡單：光的反射角等于入射角。

　　經典的反射和折射定律都很自然地認為一個界面僅僅是區分兩種物質的理想邊界，換句話說，是兩種介質而不是它們的截面影響了光的傳播。哈佛大學研究人員的創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，精巧設計的界面能夠幹預光的傳播。

　　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係列違背經典反射和折射定律的現象。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，能夠將光波“囚禁”一段時間再釋放出來。

　　陣列的設計使得這個“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。而當光以傾斜的角度入射，按不同的“界面”設計，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日發表在美國新一期《科學》雜志上，第一作者虞南方目前在哈佛大學工程和應用科學學院做博士後研究，虞南方２００４年本科畢業于北京大學電子學係，２００９年在哈佛大學獲博士學位。

　　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生了“光渦旋”，這種奇異的光束在空間裏螺旋前進，因而可以用來操縱旋轉微小的懸浮顆粒。他預計，這一概念將衍生出一係列有用的光學元件，比如可以糾正相差的超薄平面聚焦鏡片、可以採集大范圍入射陽光的太陽能匯聚裝置。哈佛大學目前已就這一成果提出專利申請。