可靠地引导和捕获光波是各种现代技术功能的核心。最传统的引导光波的方法利用光纤和其他类似结构的全内反射，但最近物理学家一直在探索基于其他物理机制的技术的潜力。
南加州大学的研究人员最近设计了一种高度创新的光捕获方法。这种方法在《自然物理学》中引入，利用了拉格朗日点的奇异特性，拉格朗日点与控制原始天体轨道的平衡点相同，例如太阳-木星系统中所谓的特洛伊小行星。
“拉格朗日点的发现恰好是这项研究的关键，可以追溯到莱昂哈德·欧拉和约瑟夫·路易斯·拉格朗日的早期工作，他们发现在这些位置，两个大天体施加的引力可以被离心力精确地抵消，”该论文的合著者Mercedeh Khajavikhan和Demetrios N. Christodoulides， 告诉 Phys.org。
“虽然其中一些点，特别是和，已经被用作太空中的战略位置，以最小的推进剂消耗实现卫星稳定性，但我们的研究重点是拉格朗日点的有趣特性。
特洛伊小行星是一大群小行星，它们与木星在同一轨道上环绕太阳。拉格朗日点以发现拉格朗日点的著名数学家拉格朗日命名，是空间中同一系统中两个物体的引力产生增强的吸引力和排斥力区域的位置。
作为研究的一部分，Khajavikhan和Christodoulides开始研究利用这些位置的独特物理特性来引导和捕获光波的潜力。在他们的论文中，研究人员表明，将拉格朗日点用于光学应用在某些方面类似于捕获太阳-木星轨道内的特洛伊小行星。
“拉格朗日光波导是通过将电流通过固化的硅油缸中的螺旋线来感应的，”Khajavikhan和Christodoulides说。
“通过热光效应，这反过来又产生了扭曲的折射率景观，在这种情况下，光子排斥力被离心力平衡。与直觉相反的是，在这个山坡指数剖面中，产生了一个稳定的拉格朗日点，结果，特洛伊光束以二维方式被困在这个位置。
作为研究的一部分，Khajavikhan和Christodoulides在他们的实验室中创建了一个紧凑的系统，再现了拉格朗日点的特性，例如在特洛伊小行星轨道上观察到的那些。他们实验室建造的系统由一根螺旋形铁丝组成，该铁丝插入具有温度依赖性折射率的介质中。
研究人员后来可以通过将电流通过电线以非均匀的方式加热这种介质。最终，这个过程能够形成他们所说的特洛伊木马光束。
这个简单的实验导致了非常有趣的观察结果。有趣的是，研究人员发现，在这种散焦折射率环境中，可以引导或捕获光学特洛伊木马束，这在正常情况下是不可行的。
“更重要的是，捕获这些光束的折射率景观完全不起眼，没有任何可以预示指导反应的特征，”Khajavikhan和Christodoulides说。“从本质上讲，光束被困在一个无处可去的地方 - 在完全不显眼的区域，那里没有传统的波导结构。
该团队最近的研究表明，拉格朗日点的独特特性可以用来引导和捕获光波。未来，当传统方法无效时，例如在液体和气体中，它可以形成新技术的开发，以在非常规环境中引导光波。
“进一步探索的可能途径可能是在放大系统中使用特洛伊光束，其中光学增益或损失可以在全介电介质中建立光束吸引或排斥的替代手段，”Khajavikhan和Christodoulides说。
到目前为止，研究人员只专注于使用拉格朗日点来引导光束。然而，在未来，他们开发的方法也可以在光学以外的其他物理学领域进行测试，例如作为引导声波或超冷原子的技术。
“在这一点上，我们计划探索在液体和气体介质中的声波中引导光的可能性，”Khajavikhan和Christodoulides补充道。“最后，有趣的是首次使用光学牵引光束在拉格朗日波导中捕获和传输介电微纳米粒子，其中可以感应出多个拉格朗日点 - 这是天体力学中不可能实现的方面。
