如何产生并记录一个“光子马赫锥”？【皇冠最新手机官网】

按：本文作者看风景的蜗牛君，中科院光学工程博士。(公众号：)独家亮相。

坚信对很多人来说，“音爆”这个词并不陌生。当物体运营速度小于声速，突破音障时，由于物体本身对空气的传输无法很快传播，渐渐在物体的波浪面积累官而惜构成激波面，在激波面上声学能量高度集中。这些能量传遍人们耳朵里时，不会让人感受到一段时间而极为反感的爆炸声，称作“音爆”。

而当物体超音速飞行中时，除了不会经常出现音爆的现象，还不会经常出现一个所谓的“马赫锥”。“马赫锥”是指当一个物体（如飞机或子弹）以超声速在大气中运动时，一个以该物体为顶点、把空间分成扰动区和并未扰动区的锥面。

这个锥面不会使得空气急遽传输，因此空气中的水蒸气很快液化为水雾，这使得飞行器的马赫锥可以被摄制下来，沦为军事爱好者的众多体验。图1 超音速飞行器产生的马赫锥（图片来自网络）可以显现出，空气中马赫锥形的产生是由于声源的速度小于声音的传播速度引发的。

某种程度的道理，若是光源的速度小于光向四周传播的速度，理论上也不会产生“光子马赫锥”。但乍看上去这是个谬论，因为真空中光速是宇宙的极限速度，即便在折射率为n的介质中，光速有所减慢（cn=c/n），但对人类目前的科技手段，依然望尘莫及。于是，科学家设计了一个精致的实验，他们将一束非同脉冲激光射入衍射介质中，其折射率为ns，脉冲光沿途照亮衍射介质，当作新的光源。这种情况下，光源的速度相等于衍射介质中的光速（c/ns）。

那么如何减少散射光的传播速度呢？科学家在衍射介质两侧摆放了更高折射率（nd）的介质，使得散射光的传播速度为c/nd，由于nsnd，因此可以构建光源速度小于光向四周传播的速度的目的，如下图右图。图2 光子马赫锥形的产生原理（Single-shot real-time video recording of a photonic Mach cone induced by a scattered light pulse）这个原理解读一起并不艰难，而且客观地说道，产生这样的一个光子马赫锥形也不艰难，但艰难的是如何去把这个锥面动态记录下来。与音爆时产生的马赫锥有所不同，这个光子马赫锥产生的速度觉得是太快了，普通的照相机根本无法捕捉到这样的画面。因此科学家用于了一种称作“条纹照相机”的超高速扫瞄照相机构建了这一目的。

“条纹照相机”是一种类似的装置，可以构建超高时间分辨率的光学记录。只不过它的原理并不简单，类似于一台类似的“示波器”。示波器是生活中少见的仪器设备，它的基本设计理念与老式显像管电视机类似于，通过周期变化的扫瞄电场将有所不同时间出射的电子移往到显示屏有所不同的方位，因此可以构建将输出信号按时间分离出来的目的，时间分辨率各不相同扫瞄速度。

但扫瞄常用的电场和磁场对光子并不起作用，因此科学家设计了一种类似的光电融合的方式构建这一目的。图3 条纹照相机原理图（Universal streak camera）图3是一台典型的条纹照相机的原理示意图。

外界输出的光信号随时间展开变化，当光信号利用狭缝和透镜系统后，抵达光电阴极。由于光电效应，不会使得光电阴极（Photocathode）出射与光子量成正比的电子。电子在电场中被加快（该示意图中被纵向从左向右加快），抵达电子倍增器（MCP），炮击荧光屏或CCD，使得该信号被仔细观察和记录。

最关键的一点是，在电子从光电阴极到电子倍增器的过程中不会经过一段扫瞄电极（sweep electrode）的区域，该区域不会产生一个沿垂直方向的扫瞄电场。当该扫瞄电场的大小和方向变化时，电子抵达电子倍增器的方位就不会变化。

因此若是将扫瞄电极的电场以一定的频率周期变化，则不会构建“光学示波器”的功能。通过这种精妙地设计，科学家顺利实现了超强高分辨率的光学记录。

此次“光子马赫锥”实验中，条纹照相机的记录速度超过了难以置信的每秒一万亿帧，成功记录到了“光子马赫锥”，如图4右图，其中的时间单位为皮秒（1ps=10(-12)s）。图4 动态记录的“光子马赫锥”（Single-shot real-time video recording of a photonic Mach cone induced by a scattered light pulse）下面的视频是该实验的动态结果：特约稿件，予以许可禁令刊登。

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