光透过不透明介质时的路径长度问题

实验帮   2017-11-14 16:51

光透过不透明介质时的路径长度问题

上图所示是通过液体的光束,在透明液体(左)的情况下,光的路径是直线。如果液体通过纳米颗粒是不透明的(右),光的路径通过散射变得更加复杂。其中一些路径变长了,有些路径变短了,尽管光路的长度与透明的情况相同。图片来源:维也纳理工大学

一个看似矛盾的物理预言现在已经在一个实验中得到证实:不管物体是不透明的还是透明的,光穿过物体的路径的平均长度总是一样的。

当光线穿过一杯牛奶时会发生什么?它进入液体,光会以一种不可预知的规律分散在无数的微小粒子中,并会再次碰到玻璃。这种效果使牛奶看起来是白色的。这要取决于入射光束,但是具体的路径,在于液体的透明度:透明物质会使光波在一直线上,在混浊物质的光将散落无数次,行驶更复杂曲折的轨迹。但令人惊讶的是,物质内部的光所覆盖的平均总距离总是一样的。

三年前,Stefan Rotter教授和他的团队(来自奥地利)与来自法国的同事一起预测了这种反直觉的结果。现在他和来自巴黎的合作者在一个实验中验证了这个理论。研究结果现已发表在《科学》杂志上。

粒子和波

“我们可以对这种现象有一个简单化的想法,我们想象光作为一个流动着的微小颗粒,”Stefan Rotter说。“光子在液体中的轨迹取决于它们遇到的障碍物的数量。”

在清澈透明的液体中,颗粒沿着直线传播,直到液体流到对面。然而,在不透明液体中,轨迹更为复杂。光束沿其方向经常分散,多次改变方向,在不透明物中长距离照射后才能到达对面。

上图所示为不同不透明度圆形区域中光路的模拟结果。光线从左边射进来,有许多不同的注入角度。

但在混浊的液体中,也有许多光子,它们永远不会到达液体的另外一面。它们并没有完全穿过液体,而是仅仅穿透了表面下面的某个地方,在一些散射事件之后,它们再次流出液体,所以它们的轨迹相当短。它可以证明数学,而令人惊讶的是,这两者的作用是平衡的,Stefan Rotter说。因此,液体内部的平均路径长度与液体是透明的还是不透明的总是相同的。

再次思考这个过程,情况稍微复杂一点:“我们必须考虑到,光透过液是一种波而不是沿特定轨迹的粒子,Rotter说。这使得提出数学描述更具挑战性,但事实证明,这并不能改变主要结果。此外,如果我们考虑光的波特性,与穿透液体的光线的平均长度总是保持不变,不管波在介质中散射的强度有多大。

浑水实验

描述这种违反直觉的行为理论计算结果已经在三年前发表, Stefan Rotter的团队和他的巴黎同事一同撰写了这篇论文。现在,同样的研究小组设法验证了实验中的结果。试管装满水,然后混淆与纳米粒子。随着更多的纳米粒子的加入,光散射更强烈,液体更混浊。

当光通过液体发出的,它是分散的不断变化的方式,因为纳米粒子在液体中保持移动,Stefan Rotter说。这就导致了管外表面的特性闪闪发光。当这种影响的测量和分析,可以推断出内部的液态光的光程。事实上:不论颗粒数,无论光从几乎完全透明的样品或乳发,可以观察到总是光平均路径长度。

这一结果有助于理解波在无序介质中的传播。有许多可能的应用:“这会是一个普遍的规律,原则上适用于任何类型的波,”Stefan Rotter说。“同样的规则也适用于不透明的液体中的光线,声波在空气中传播,甚至散布在星系中的微小物体。基本的物理定律总是一样的。”

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