无源媒质中电磁波的异常传播

目前人们的研究兴趣是改变光脉冲的群速度,产生光停、慢光、快光(超光速的光).按照物理理论,反常色散媒质中可能出现“快光”,而它就称为“快光媒质”.已有许多产生快光的实验,这就开辟了被称为“色散技术”的研究前景.例如,科学界对群速超过真空中光速c的信号传播感到好奇.而在另一方面,以群速vg行进的短波脉冲、微波脉冲、光脉冲,如vg比无限大还大,就称为负群速(NGV)传播.这时发生如下现象:输入脉冲峰到达被测物(DUT)之前,DUT输出端已呈现脉冲峰的身影.这虽与直观经验不符,但都是实验发现.当某种材料中光的群速为负,这就是NGV媒质.虽然NGV时常出现在增益系统中,无源系统也不断发现NGV现象;后者可由同轴电缆、波导、微带线、光纤而构成.实验中如加大失配即可加大群时延,进而获得NGV.若n为媒质有效折射率,则获得NGV的条件是{f/n dn/df}＞1.虽然许多实验证明了群速超光速现象存在,科学界仍感困惑.2001年证明了关系式(-v)e=|T|2vg((-v)平均能速,T系统传输系数),故当vg很大(vg＞c|T|-2)时能速将比光速大.有关研究带来了令人兴奋的可能性.Brillouin的信号速度定义存在问题,数学意义超越物理意义.我们的反驳是,最重要之点在于传播中不失真的波群(波包).由此出发的理论分析证明,众多NGV研究者已观察到的超光速传播其实就是实现了超光速通信.……超光速群速传播和负群速波传播,这两者各有其用途.科学家们把这与多个领域(如光通信、光场压缩态、量子纠缠)相联系,并得出结论说,高效、低耗的快光的潜在应用是广阔的.     

负波速研究进展

近年来有众多实验证明了超过真空中光速的可能性,并从理论上和实验上对群速超光速和负群速作了研究。本文着重论述负波速的光传播,例如光脉冲通过被测物(如原子气室或光纤)时其峰值在进入它之前就在它的输出端出现了,从而呈现出负渡越时间和负群速(NGV)。可以证明当Goos-Hnchen位移GHS为负,即D<0,而|D|>dΦ/dkz,则可获得负渡越时间(τ<0)。……文中论述的NGV传播是依靠反常色散媒质或消失波而实现的。在电磁理论中相速、群速可定义为矢量或标量。如在标量表达时出现负号,例如νg=-c/ng,不能认为负号只表示向反方向传播。必须指出在Sommerfeld-Brillouin波速理论中负群速是超光速的一种形态。本文提出了开展"三负研究"的思想,所谓"三负"是指负折射、负波速和负GH位移。如果我们透过现象看本质,这三方面的内在联系是非常重要的。最后,本文深入讨论了量子波动的内容和意义。     

电磁波负性运动与媒质负电磁参数研究

用经典力学分析有质有形物体的运动时,速度是矢量,负速度表示反向运动.但对无质无形的波的运动而言,速度可为标量,不能说负速度仅代表流向反了过来.该怎样理解这种现象的含意?对负波速(NWV)而言,例如当脉冲通过特定媒质时具有负群速(NGV),数值为c/ng(ng＜0),它不仅比脉冲通过真空时的速度(光速c)快,而且快到进入媒质前就离开了媒质.由此本文提出了“电磁波负性运动”的概念,并将其与简单的“反向运动”相区别.我们必须接受D'Alembert方程的超前解,理解负速度概念.可以说,自然以她的真实和丰富给我们上了一课,今后她还将继续教导我们.事物的二元性是世界的本质.在现代物理学中,电磁参数成为负值或电磁波作负性运动均常有发生.物理参数为正或为负的本身是自然界对称性机制之一,对其作研究是探索客观规律的一个新途径.     

用具有负介电常数的模拟光子晶体同轴系统获得负群速

研究由不同阻抗的同轴电缆周期相连组成的同轴光子晶体（coaxial photon crystal，CPC）系统中的反常色散曲线和群速。研究了阻抗的大小，每段同轴线的长度，系统中同轴电缆的节数，和同轴电缆自身的折射率对反常色散曲线和群速的影响；并且得到vg=3．25c的最大群速。最后假定使用具有负介电常数填充物的同轴电缆组成CPC，证明可获得vg=（-5．04c）～（-5．23c）。     

论电磁波传播中的负速度

近10年来,多国科学家以实验研究了在短波、微波、光频和太赫波频段发生的超光速现象.在许多情况下,是发送脉冲后使之作负速度波传播,从而实现超光速传播的.本文概述了在负速度波传播方面的理论研究和实验研究.例如,实验中使光脉冲通过原子气室,其峰值到达入口前即在出口处浮现,呈现负渡越时间和负群速.故群速可以大于光速,可以为无限大,甚至可以为负.近年来,实验和观察中累累发现负速度的超光速现象,故可以认为它是科学研究的前沿之一.     

电磁波传播中的超光速群速和负群速

分析了产生群速超光速和负群速的条件。讨论了截止波导中消失波条件下的超光速群速和负群速。用模拟同轴光子晶体的结构进行实验,获得了阻带中的超光速群速,Vg=(1.5-2.4)c。     

论量子超光速性

A.Einstein对量子力学(QM)的反对态度从1926年开始显露,1935年与B.Podolsky、N.Rosen联合发表论文时达到顶点,而EPR论文后来是从反面促进了科学的发展。该文以狭义相对论(SR)为思想基础,而SR和EPR都否定超光速的可能性。但QM允许超光速存在,并与研究超光速的前提即QM非局域性一致。1985年John Bell说,Bell不等式是分析EPR推论的产物,该推论说在EPR文章条件下不应存在超距作用;但那些条件导致QM预示的奇特相关性。Aspect实验的结果是在预料之中的,因为QM从未错过,现在知道即使在苛刻的条件下它也不会错;可以肯定实验证明了Einstein的观念站不住脚。Bell认为在进退两难的处境下可以回到Lorentz和Poincarè,他们的以太是一种特惠参考系,在其中事物可以比光快。Bell指出正是EPR给出了超光速的预期。……1992年以来有多个超光速实验成功的报道,有的以量子隧穿为基础,有的利用经典物理现象(如消失波、反常色散)。而在2008年,D.Salart等用处于纠缠态的相距18km的2个光子完成的实验证明其相互作用的速度比光速大一万倍以上,为104c～107c;可以说此实验对有关EPR的长期争论作了结论。过去25年来,量子超光速性是笔者的主要研究课题之一。1985年我们提出了量子势垒的等效电路模型;1991年我们最早指出截止波导中消失波模有负相速(vp0)和负群速(vg0)现象,笔者的专著《截止波导理论导论》获全国优秀科技著作奖。2003年我们用同轴光子晶体进行实验并观测到阻带中的超光速群速,为(1.5～2.4)c。2005年我们提出广义信息速度(General Information Velocity,GIV)和在2010年提出量子超光速性(Quantum Super-luminality,QS)两个概念,并建议改造现有的高能粒子加速器以寻找和发现超光速奇异电子。本文则较深刻地讨论了QS的若干问题,涉及微观粒子的速度定义、EPR思维与超光速研究的关系、量子纠缠态作用速度、量子隧穿的超光速性、负波速、Casimir效应的超光速性。文中指出Sommerfeld-Brillouin波速理论的意义和不足,用实验例说明量子光学(QO)方法与经典物理概念结合运用是重要的。自2000年以来的负群速实验常以某金属(如铯、钾、铷)的原子蒸汽状态作为受试对象,充分利用激光的高科技特性和手段,从而使之成为具有典型QO特征的现代物理实验,因而极不同于经典性质的物理实验。负群速不仅是超光速的特殊形态,而且普遍具有下述特征:输入脉冲进入媒质前,出口处即呈现输出脉冲峰,因而与经典因果性不同。虽然关于QS的知识和发现是丰富的和生动的,并且极有启发性,但它并不正面和直接地回答"物质、能量、信息能否以超光速传送"的问题。设计巧妙而有说服力的实验仍是科学家们的基本任务。     

论量子超光速性

A.Einstein对量子力学(QM)的反对态度从1926年开始显露,1935年与B.Podolsky、N.Rosen联合发表论文时达到顶点,而EPR论文后来是从反面促进了科学的发展。该文以狭义相对论(SR)为思想基础,而SR和EPR都否定超光速的可能性。但QM允许超光速存在,并与研究超光速的前提即QM非局域性一致。1985年John Bell说,Bell不等式是分析EPR推论的产物,该推论说在EPR文章条件下不应存在超距作用;但那些条件导致QM预示的奇特相关性。Aspect实验的结果是在预料之中的,因为QM从未错过,现在知道即使在苛刻的条件下它也不会错;可以肯定实验证明了Einstein的观念站不住脚。Bell认为在进退两难的处境下可以回到Lorentz和Poincarè,他们的以太是一种特惠参考系,在其中事物可以比光快。Bell指出正是EPR给出了超光速的预期。……1992年以来有多个超光速实验成功的报道,有的以量子隧穿为基础,有的利用经典物理现象(如消失波、反常色散)。而在2008年,D.Salart等用处于纠缠态的相距18km的2个光子完成的实验证明其相互作用的速度比光速大一万倍以上,为104c～107c;可以说此实验对有关EPR的长期争论作了结论。过去25年来,量子超光速性是笔者的主要研究课题之一。1985年我们提出了量子势垒的等效电路模型;1991年我们最早指出截止波导中消失波模有负相速(vp0)和负群速(vg0)现象,笔者的专著《截止波导理论导论》获全国优秀科技著作奖。2003年我们用同轴光子晶体进行实验并观测到阻带中的超光速群速,为(1.5～2.4)c。2005年我们提出广义信息速度(General Information Velocity,GIV)和在2010年提出量子超光速性(Quantum Super-luminality,QS)两个概念,并建议改造现有的高能粒子加速器以寻找和发现超光速奇异电子。本文则较深刻地讨论了QS的若干问题,涉及微观粒子的速度定义、EPR思维与超光速研究的关系、量子纠缠态作用速度、量子隧穿的超光速性、负波速、Casimir效应的超光速性。文中指出Sommerfeld-Brillouin波速理论的意义和不足,用实验例说明量子光学(QO)方法与经典物理概念结合运用是重要的。自2000年以来的负群速实验常以某金属(如铯、钾、铷)的原子蒸汽状态作为受试对象,充分利用激光的高科技特性和手段,从而使之成为具有典型QO特征的现代物理实验,因而极不同于经典性质的物理实验。负群速不仅是超光速的特殊形态,而且普遍具有下述特征:输入脉冲进入媒质前,出口处即呈现输出脉冲峰,因而与经典因果性不同。虽然关于QS的知识和发现是丰富的和生动的,并且极有启发性,但它并不正面和直接地回答"物质、能量、信息能否以超光速传送"的问题。设计巧妙而有说服力的实验仍是科学家们的基本任务。     

反常色散区的光速研究

本文研究在反常色散区的光速传播问题。研究的理论基础是麦克思韦方程组。根据电磁理论 ,在反常色散区群速可以超过相速 ,本文的目的是研究在什么条件下群速可以超过真空中的光速。特别地 ,针对波导情况给出了在波导系统实现超光速传播的条件     

光脉冲在含色散缺陷-维光子晶体中的传播

应用传输矩阵方法推导了光脉冲在-维光子晶体中的动力演化．若在结构中引入非色散的缺陷时,超光速传播将变成慢光速;若引入含二能级原子色散缺陷时,慢光速又将变成超光速．最后指出,尽管群速度比真空中光速c大,甚至为负,但能量传播速度一定不会超过光速c,光脉冲在光子晶体中的此种现象是布喇格反射波相干叠加的结果．     

原子光学的最新发展——光的群速度在铯原子气体中可达到真空中光速的310倍

主要介绍光脉冲传输研究方面的最新发展动态，WangLJ等人     

波粒二象性理论与波速问题探讨

速度是宏观的概念;在量子力学中速度表示什么,本来无法回答。在半经典理论中,为重新定义速度,可取v→=▽S/m[m是粒子质量,S满足ψ=Aexp(j S/h)]。这样虽建立了速度与波函数的联系,却不是波科学中必需而有用的波速概念。真空中光速c是一个普遍性基本物理常数,量子力学显然也需要这个参数,亦即新波动力学需要这个物理量。从人类实践过程和结果看,科学家若企图确定c的最精确值,必须依靠标量方程c=fλ这样的标量描述才能实现。现代物理学认为波速度(相速vp、群速vg)是标量而非矢量。波动具有独特的科学性质,其规律与经典力学不同,它需要量子力学支持,又不等同于严格的量子力学。目前尚无单独一个理论能完美解释波科学问题,处在经典物理和量子物理并用的局面。电磁场的量子化过程为光的波粒二象性提供了基本的数学诠释,即连续展布于空间的电磁场在量子化后得到光子。尽管如此,"光子是什么"的难题仍困扰着科学家。通常认为电子的物质波是几率波,光子的波动是电磁波而非几率波。但在分析处理双光子纠缠时又在使用几率波理念,这样光子的波是什么仍未解决。另外,电子几率波与Schrdinger方程对应,但有一种观点认为光子几率波尚无可对应的波方程。另一方面,物质波相速的物理意义并不清晰;而de Broglie波的相速是超光速的,对此还需要更多的说明。类似的许多例子表明,波粒二象性仍是现代物理学中的一个待解之谜。最后,近年来对负波速(NWV)的研究既使波科学更加丰富,也为发展理论思维提供了新的契机。     

横向各向同性介质中的地震波传播特性

在各向异性介质中 ,地震波的传播特性随传播方向而变化 ,常表现为地震波传播的相角和群角、相速度和群速度的不一致性。应用理论模型计算方法研究了具有垂直对称轴的横向各向同性介质中P波、SV波的传播规律和Thomsen参数对P波相速度的影响。计算表明 ,横向各向同性介质中的P波与SV波的相速度曲线不再是各向同性介质中的圆形。就相速度而言 ,在垂直方向附近 ,SV波的速度变化要比P波明显得多 ;Thomsen参数vS0 对P波相速度的影响非常小。研究结果对各向异性介质中的弹性参数反演、速度反演、NMO、DMO及时间域的偏移有着重要意义。     

VTI介质中Thomsen参数对相速度和群速度的影响

相速度和群速度对于研究弹性波在各向异性介质中的传播具有重要意义,同时对合理评价地震资料解释成果也具有一定的指导意义。深入研究Thomsen参数与群、相速度的关系有助于研究复杂地层中波的传播规律以及速度的变化趋势,从而使地震资料解释更加准确。本文首先简要推导了VTI介质中弹性波的群、相速度解析表达式,然后通过编程实现,直观显示了三维速度曲面的变化特征与Thomsen参数的联系,并通过二维及一维速度曲线变化加以验证。实验结果表明：VTI介质中群速度较相速度对Thomsen参数的变化更加敏感,其中随着 (qP波各向异性强度表征参数)与 (描述纵横波相速度的过渡性参数)差值的不断增大,各向异性程度明显增强,群速度剧烈变化,尤其是qSV波;随着 (横波分裂强度表征参数)值的不断增大,SH波群、相速度面的扁率也不断增大。     

半无限一维光子晶体在满足平均折射率等于零时的表面态

运用传输矩阵方法和Bloch定理，研究了以色散介质为背景，半无限一维光子晶体在满足平均折射率等于零条件下的表面波特性，发现在一定的堆积次序下存在群速度为负的表面态，此时表面波的波矢和能流方向相反，并讨论了该情况下表面态的模式简并情况。     

Superluminal and Negative Group Velocity in the Electromagnetic Wave Propagation

1Introduction　InthestudyoftheEMwavepropagationintheearly 1 9thcentury,thephasevelocityofwavesisbroughtforward ,whichisdefinedasthepropagationvelocityofthephaseofharmonicwavesandcanbewrittenas:Vp =ω β (1 )Whereβisaphaseconstant.In 1 839,W .R .Hamiltonbroughtforwardaconceptofgroupvelocitytoexplainsomeofsuchcomplexphenomenaastwowavesofdifferentfrequen ciespropagatetogetherinonemedium .In 1 877,Rayleighgavethedefinitionofthegroupvelocityinhisfamousbook“TheoryofSound”andthegroupvelocityis…     

禁带区域内负的群速度

研究超声波经过两个烧结样品的行为.两个烧结样品为有序的面心立方结构,它们的结构几乎相同.研究表明:在两个有序的准均匀的介质中分别有一个禁带区域.就禁带区域而言,在两个样品中产生禁带的区域非常接近.同时在禁带出现的区域群速度为负值.我们的结果表明群速度的负值的确存在于有序介质中的禁带区域内.