研究人员发现了一种在光子晶体光纤中引导光的新机制

无芯光纤：如果将光子晶体光纤扭曲，则不需要具有不同折射率的纤芯即可将光捕获在其中心。

来自埃尔兰根市马克斯·普朗克光科学研究所的一组科学家发现了一种在光子晶体光纤中引导光的新机制。

光子晶体光纤（PCF）是一种纤细的玻璃纤维，在其长度上分布有规则的空心通道。当螺旋形扭曲时，空心通道的这种螺旋排列会以类似于光线弯曲的方式作用于光线，当光线穿过恒星周围的重力弯曲空间时，如广义相对论所描述的那样。

光纤充当光的管道。正如管子的内部被一堵墙包围一样，光纤通常具有一个导光芯，其玻璃的折射率要比包围的外包层的玻璃的折射率高。折射率的差异导致光在包层界面处反射并像管道中的水一样被捕获在芯中。由马克斯·普朗克光科学研究所所长Philip Russell领导的团队是第一个成功在无芯的PCF中成功引导光的团队。

光子晶体为蝴蝶赋予色彩，也可以引导光

典型的光子晶体由一块玻璃制成，该玻璃的孔在整个体积中都以规则的周期性图案排列。由于玻璃和空气具有不同的折射率，因此该折射率具有周期性结构。这就是将这些材料称为晶体的原因-它们的原子形成有序的三维晶格，例如在结晶盐或硅中发现的晶格。在常规晶体中，3D结构的精确设计决定了电子的行为，例如导致电绝缘体，导体和半导体产生电子。

以类似的方式，光子晶体的光学特性取决于周期性的3D微结构，例如，该3D微结构负责某些蝴蝶翅膀的闪烁颜色。能够控制材料的光学特性在多种应用中很有用。例如，菲利普·拉塞尔（Philip Russell）和他的团队在埃尔兰根的马克斯·普朗克研究所（Max Planck Institute）开发的光子晶体光纤可用于滤除可见光谱中的特定波长或产生非常白的光。

与电信中使用的所有光纤一样，所有常规的光子晶体光纤都具有芯和包层，每个芯和包层具有不同的折射率或光学特性。在PCF中，充气通道已经使玻璃的折射率不同于完全固化时的折射率。

孔定义了光子晶体光纤中的空间

“我们是第一个成功将光引导通过无芯光纤的公司，”位于埃尔兰根的马克斯·普朗克光科学研究所的Gordon Wong说。菲利普·罗素（Philip Russell）小组的研究人员制造了一种光子晶体光纤，其完整横截面紧密地堆积着大量充气通道，每个通道的直径约为千分之一毫米，并沿其整个长度延伸。

常规PCF的核心是固体玻璃，而新型光纤的横截面类似于筛子。这些孔具有规则的间距，并进行排列，以使每个孔都被相邻孔的正六边形包围。“这种结构定义了纤维中的空间，”该出版物的主要作者拉明·贝拉瓦特（Ramin Beravat）解释说。可以将孔视为距离标记。纤维的内部则具有一种人造的空间结构，该结构由孔的规则晶格形成。

“我们现在已经以扭曲的形式制造了这种纤维，”贝拉瓦特继续说道。扭曲导致空心通道以螺旋线缠绕在纤维的长度上。然后，研究人员将激光穿过光纤。在规则的，无芯的横截面的情况下，人们实际上会希望光线按照其图案确定的均匀分布在筛孔之间，即在边缘处与在中心处一样多。取而代之的是，物理学家发现了一些令人惊讶的东西：光集中在常规光纤纤芯所在的中央区域。

在扭曲的PCF中，光遵循光纤内部的最短路径

Wong解释说：“这种影响类似于爱因斯坦广义相对论中的空间曲率。”这预示着像太阳这样的重物会扭曲其周围的空间，或更准确地说，会扭曲时空，即三个空间维度与第四维度（时间）的结合，就像一块铅球所在的橡胶片一样。放置。光遵循此曲率。这样，两点之间的最短路径不再是一条直线，而是一条曲线。在日食期间，应该真正隐藏在太阳后面的恒星就变得可见了。物理学家称这些最短的连接路径为“大地测量学”。

Wong说：“通过扭曲光纤，光子晶体光纤中的“空间”也会扭曲。这导致光沿其传播的螺旋测地线。考虑到光始终是通过介质的最短路径，这一事实可以直观地理解。空气填充通道之间的玻璃丝线呈螺旋状，为光线定义了可能的路径。但是，通过光纤边缘的宽螺旋线的路径要比通过中心缠绕的螺旋线的路径长，但是，弯曲的射线路径在一定半径下会被光子晶体效应反射回光纤轴。

扭曲的PCF作为大型环境传感器

光纤扭曲得越多，光聚集的空间就越窄。与爱因斯坦的理论类似，这对应于更强的引力，因此对应于更大的光线偏转。基于Erlangen的研究人员写道，他们为光创建了一个“拓扑通道”（拓扑与空间的属性有关，该属性在连续变形下得以保留）。

研究人员强调，他们的工作是基础研究。他们是在世界任何地方从事该领域研究的极少数研究小组之一。但是，他们可以想到一些发现的应用程序。例如，以一定间隔较少扭曲的扭曲光纤将使一部分光逸出到外部。然后，光可以在这些定义的位置与环境交互。“例如，它可用于测量介质吸收的传感器。”这些光纤网络可以作为环境传感器在大范围内收集数据。

出版物：Ramin Beravat等人，“无芯光子晶体光纤中的扭曲诱导导引：螺旋形的光通道”，《科学进展》，2016年11月25日：卷2，没有11，e1601421； DOI：10.1126 / sciadv.1601421