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| 本文作者： 看風(fēng)景的蝸牛君 | 2017-02-13 15:44 |
雷鋒網(wǎng)按：本文作者看風(fēng)景的蝸牛君，中科院光學(xué)工程博士。雷鋒網(wǎng)獨(dú)家首發(fā)。
相信對很多人來說，“音爆”這個(gè)詞并不陌生。當(dāng)物體運(yùn)行速度大于聲速，突破音障時(shí)，由于物體本身對空氣的壓縮無法迅速傳播，逐漸在物體的迎風(fēng)面積累而終形成激波面，在激波面上聲學(xué)能量高度集中。這些能量傳到人們耳朵里時(shí)，會(huì)讓人感受到短暫而極其強(qiáng)烈的爆炸聲，稱為“音爆”。
而當(dāng)物體超音速飛行時(shí)，除了會(huì)出現(xiàn)音爆的現(xiàn)象，還會(huì)出現(xiàn)一個(gè)所謂的“馬赫錐”。“馬赫錐”是指當(dāng)一個(gè)物體（如飛機(jī)或子彈）以超聲速在大氣中運(yùn)動(dòng)時(shí)，一個(gè)以該物體為頂點(diǎn)、把空間分為擾動(dòng)區(qū)和未擾動(dòng)區(qū)的錐面。這個(gè)錐面會(huì)使得空氣急劇壓縮，因此空氣中的水蒸氣迅速液化為水霧，這使得飛行器的馬赫錐可以被拍攝下來，成為軍事愛好者的一大樂趣。
圖1 超音速飛行器產(chǎn)生的馬赫錐（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）
可以看出，空氣中馬赫錐的產(chǎn)生是由于聲源的速度大于聲音的傳播速度引起的。同樣的道理，若是光源的速度大于光向四周傳播的速度，理論上也會(huì)產(chǎn)生“光子馬赫錐”。但乍看起來這是個(gè)謬論，因?yàn)檎婵罩泄馑偈怯钪娴臉O限速度，即便在折射率為n的介質(zhì)中，光速有所減緩（cn=c/n），但對人類目前的科技手段，仍然望塵莫及。
于是，科學(xué)家設(shè)計(jì)了一個(gè)精巧的實(shí)驗(yàn)，他們將一束超短脈沖激光射入散射介質(zhì)中，其折射率為ns，脈沖光沿途點(diǎn)亮散射介質(zhì)，充當(dāng)新的光源。這種情況下，光源的速度相當(dāng)于散射介質(zhì)中的光速（c/ns）。
那么如何降低散射光的傳播速度呢？科學(xué)家在散射介質(zhì)兩側(cè)放置了更高折射率（nd）的介質(zhì)，使得散射光的傳播速度為c/nd，由于ns<nd，因此可以實(shí)現(xiàn)光源速度大于光向四周傳播的速度的目的，如下圖所示。
圖2 光子馬赫錐的產(chǎn)生原理
（Single-shot real-time video recording of a photonic Mach cone induced by a scattered light pulse）
這個(gè)原理理解起來并不困難，而且客觀地說，產(chǎn)生這樣的一個(gè)光子馬赫錐也不困難，但困難的是如何去把這個(gè)錐面實(shí)時(shí)記錄下來。與音爆時(shí)產(chǎn)生的馬赫錐不同，這個(gè)光子馬赫錐產(chǎn)生的速度實(shí)在是太快了，普通的相機(jī)根本無法捕捉到這樣的畫面。因此科學(xué)家使用了一種稱為“條紋相機(jī)”的超高速掃描照相機(jī)實(shí)現(xiàn)了這一目的。
“條紋相機(jī)”是一種特殊的裝置，可以實(shí)現(xiàn)超高時(shí)間分辨率的光學(xué)記錄。其實(shí)它的原理并不復(fù)雜，類似于一臺(tái)特殊的“示波器”。
示波器是生活中常見的儀器設(shè)備，它的基本設(shè)計(jì)理念與老式顯像管電視機(jī)類似，通過周期變化的掃描電場將不同時(shí)間出射的電子轉(zhuǎn)移到顯示屏不同的位置，因此可以實(shí)現(xiàn)將輸入信號按時(shí)間分離的目的，時(shí)間分辨率取決于掃描速度。但掃描常用的電場和磁場對光子并不起作用，因此科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種特殊的光電結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)這一目的。
圖3 條紋相機(jī)原理圖（Universal streak camera）
圖3是一臺(tái)典型的條紋相機(jī)的原理示意圖。外界輸入的光信號隨時(shí)間進(jìn)行變化，當(dāng)光信號透過狹縫和透鏡系統(tǒng)后，到達(dá)光電陰極。由于光電效應(yīng)，會(huì)使得光電陰極（Photocathode）出射與光子量成正比的電子。電子在電場中被加速（該示意圖中被橫向從左向右加速），到達(dá)電子倍增器（MCP），轟擊熒光屏或CCD，使得該信號被觀察和記錄。
最關(guān)鍵的一點(diǎn)是，在電子從光電陰極到電子倍增器的過程中會(huì)經(jīng)過一段掃描電極（sweep electrode）的區(qū)域，該區(qū)域會(huì)產(chǎn)生一個(gè)沿豎直方向的掃描電場。當(dāng)該掃描電場的大小和方向變化時(shí)，電子到達(dá)電子倍增器的位置就會(huì)變化。因此若是將掃描電極的電場以一定的頻率周期變化，則會(huì)實(shí)現(xiàn)“光學(xué)示波器”的功能。
通過這種巧妙地設(shè)計(jì)，科學(xué)家順利實(shí)現(xiàn)了超高分辨率的光學(xué)記錄。此次“光子馬赫錐”實(shí)驗(yàn)中，條紋相機(jī)的記錄速度達(dá)到了驚人的每秒一萬億幀，順利記錄到了“光子馬赫錐”，如圖4所示，其中的時(shí)間單位為皮秒（1ps=10(-12)s）。
圖4 實(shí)時(shí)記錄的“光子馬赫錐”
（Single-shot real-time video recording of a photonic Mach cone induced by a scattered light pulse）
下面的視頻是該實(shí)驗(yàn)的動(dòng)態(tài)結(jié)果：
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