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     

学术自由讨论是科学发展的前提——评黄志洵新著《超光速研究新进展》

2002年夏季，黄志洵教授的著作《超光速研究新进展》出版。书中介绍关于超光速研究的重要理论和实验进展，并按三个部分叙述不同领域的有关研究，如超光速理论与实验、反常色散与负群速（王力军等人的光脉冲超光速传播实验）、波粒二象性理论的成就和问题、EPR思维、中微子质量研究进展等。这是一本内容新颖、丰富、生动的好书，对读者颇具吸引力。文章强调指出，学术上的自由讨论是科学发展的前提。     

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。     

量子隧穿时间与脉冲传播的负时延

为了计算粒子隧穿通常认为是禁区的势垒的时间,应考虑波包的传输。这被许多科学家(如MacColl、Wigner、Hartman、Büttikar等)讨论过。按照Hartman的解析表达式,隧穿时间是非零的正值;而对于较厚的势垒,传输时间与垒厚无关。这为粒子的超光速运动提供了理论上的可能性。1960年L.Brillouin讨论了色散媒质中的光传播,结果认为信号速度vs与群速vg并无不同,除非在反常色散区。vg可以比真空中光速大(vgc),甚至变为负值(vg0)。这样就使人们对波传播中的负时延产生了兴趣。但Brillouin说"负群速(NGV)没有物理意义",现在我们知道这样讲是错误的。本文着重研究了负群速特征(NGVF);首先指出存在两种情况:空间中的反向运动和对时间的反向运动。指出在波动力学中波速度(例如vp、vg)是标量,故NGV的含义并非仅为"运动方向反了过来"。其次指出NGV波是超前波,它不仅比真空中光速c快,而且快到在完全进入媒质前就离开了媒质。电磁脉冲可以作时间超前运动是一种负性运动。这种现象对物理学家而言很重要,因为他们想知道究竟发生了什么。最后给出了我们使用互补类Ω结构(COLS)构成的左手传输线的微波脉冲传输特性的实验研究。在(5.6~6.1)GHz形成阻带,其中状态为反常色散。获得了NGV特征,即脉冲超前传播——输入脉冲峰进入样品前输出脉冲峰即在出口浮现。获得了负群速,vg=(-0.13 c)~(-1.85 c)。     

中国第一个超光速实验在北京广播学院获得成功

北京广播学院通信工程系的黄志洵、逯贵祯教授及硕士研究生关健,最近完成了一篇英文论文“Superluminal and Negative Group Velocity in the Electromagnetic Wave Propagation”(“电磁波传播中的超光速群速和负群速”),今年6月在《Engineeting Science in China》(ESIC——中国工程院院刊英文版)上发表。文章的前半为理论研究——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。文章的后半报道了关于“超光速群速”的实验——据我们所知,这是国内的首例超光速实验。该实验采用同轴光子晶体(CPC)结构进行,获得了阻带中的超光速群速,V_g=(1.5～2.4)c。     

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.     

电磁诱导吸收的研究进展

电磁诱导吸收是光与物质相互作用中表现出来的奇特的非线性效应,对其形成机理及非线性特性的研究具有重要的理论意义和巨大的潜在应用价值.本工作以简并二能级、N型四能级系统和近似简并的Λ型能级系统的研究结果为基础,探讨了电磁诱导吸收的产生条件和本质.结果表明,原子相干对吸收的相长干涉产生电磁诱导吸收,而且其色散谱线在对应频率位置出现了变化剧烈的反常色散,可以引起探测光的群速增快甚至出现负群速,其应用前景正在进一步研究中.     

反常色散介质中信息的传递

研究了反常色散介质中信息的传递及信号速度. 我们认为波包包络线的不连续点及包络线的任一阶导数的不连续点都是一个脉冲所携带的区别于其他脉冲的信息. 信号速度不应超过这些不连续点移动的速度. 作为例子, 具体研究了包络线为三角形的脉冲及由三段二次曲线构成的脉冲在具有双增益峰的反常色散稀薄气体中的传播. 研究结果表明包络线及其一阶导数、二阶导数的不连续点在所研究的介质中都以真空光速传播. 此外, 还对波包变形是否可忽略提出了一个理论上的判椐.     

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。     

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）。     

介绍真空阻尼原理的书

内容简介:国外对于光速是否可变以及物体的运动能否超过光速等课题讨论活跃,例如在中国的《科技文萃》2000年第9期刊登美国实验室得到超过光速310倍的铯原子蒸气反常色散波。2002年第10期报导澳大利亚科学家发现光速可变的证据。本书介绍国内研究者的进展。从历史上看,1925年英国物理学家狄拉克     

光波在一维光子晶体中传播行为的数值研究

由Kronig-Penney模型导出了光波在一雏光子晶体中传播的群速度的解析表达式，利用传输矩阵法对一维光子晶体的色散关系和群速度分布特征进行了数值研究．结果表明，光波在光子晶体中传播的群速度与光子带隙结构及色散特性有着密切的联系，光子导带内的群速度为有限值，在光子禁带的边缘，群速度迅速减小而趋于0，光的传播具有显著的带边延迟效应．同时，在反常色散区，群速度为负值，光的传播表现出明显的超光速现象．光子晶体的结构参数直接影响光波在光子晶体中的群速度．     

论Bessel波束超光速现象

Bessel波束具有奇异的特性,例如在传播中不发生衍射,而且实验测量证明其群速比光速c要大。对其超光速运动可以用球面波前在对称轴上的干涉作简单解释。2006年有研究人员指出,不仅通常的实宗量Bessel波,虚宗量修正Bessel波也有群速超光速现象。     

曲线形槽波导传输特性的分析

为了研究新型毫米波与亚毫米波传输线及其实际应用,根据横向谐振阶梯近似等效网络法对几种曲线形槽波导的传输特性进行了分析。结果表明,各种曲线形槽波导的色散很小,且其色散特性与折线形槽波导相似,槽区的形状对其色散特性影响不大。在一定条件下,主模的带宽与槽区面积成正比,而平板区的横向长度与槽区面积成反比。此外,还给出了计算平板区横向长度的理论公式。这些新型开放式曲线形槽波导可用于传输毫米波与亚毫米波,也可     

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．     

光脉冲在含色散缺陷一维光子晶体中的传播

应用传输矩阵方法推导了光脉冲在一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.     

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。     

基于相干布居振荡的室温固体材料中可控光群速的发展

回顾了在室温条件下,固体材料中基于相干布居振荡而导致光群速改变的若干研究.介绍了光谱烧孔理论及此技术应用于固体介质中的最新进展.主要阐述了掺杂光纤中光速改变的物理机理和实验研究.最后,讨论了光群速可控的研究意义及应用展望.