如何產生並記錄一個「光子馬赫錐」？

雷鋒網按：本文作者看風景的蝸牛君，中科院光學工程博士。雷鋒網獨家首發。

相信對很多人來說，「音爆」這個詞並不陌生。當物體運行速度大於聲速，突破音障時，由於物體本身對空氣的壓縮無法迅速傳播，逐漸在物體的迎風面積累而終形成激波面，在激波面上聲學能量高度集中。這些能量傳到人們耳朵里時，會讓人感受到短暫而極其強烈的爆炸聲，稱為「音爆」。

而當物體超音速飛行時，除了會出現音爆的現象，還會出現一個所謂的「馬赫錐」。「馬赫錐」是指當一個物體（如飛機或子彈）以超聲速在大氣中運動時，一個以該物體為頂點、把空間分為擾動區和未擾動區的錐面。這個錐面會使得空氣急劇壓縮，因此空氣中的水蒸氣迅速液化為水霧，這使得飛行器的馬赫錐可以被拍攝下來，成為軍事愛好者的一大樂趣。

圖1 超音速飛行器產生的馬赫錐（圖片來自網路）

可以看出，空氣中馬赫錐的產生是由於聲源的速度大於聲音的傳播速度引起的。同樣的道理，若是光源的速度大於光向四周傳播的速度，理論上也會產生「光子馬赫錐」。但乍看起來這是個謬論，因為真空中光速是宇宙的極限速度，即便在折射率為n的介質中，光速有所減緩（cn=c/n），但對人類目前的科技手段，仍然望塵莫及。

於是，科學家設計了一個精巧的實驗，他們將一束超短脈衝激光射入散射介質中，其折射率為ns，脈衝光沿途點亮散射介質，充當新的光源。這種情況下，光源的速度相當於散射介質中的光速（c/ns）。

那麼如何降低散射光的傳播速度呢？科學家在散射介質兩側放置了更高折射率（nd）的介質，使得散射光的傳播速度為c/nd，由於ns

圖2 光子馬赫錐的產生原理

（Single-shot real-time video recording of a photonic Mach cone induced by a scattered light pulse）

這個原理理解起來並不困難，而且客觀地說，產生這樣的一個光子馬赫錐也不困難，但困難的是如何去把這個錐面實時記錄下來。與音爆時產生的馬赫錐不同，這個光子馬赫錐產生的速度實在是太快了，普通的相機根本無法捕捉到這樣的畫面。因此科學家使用了一種稱為「條紋相機」的超高速掃描照相機實現了這一目的。

「條紋相機」是一種特殊的裝置，可以實現超高時間解析度的光學記錄。其實它的原理並不複雜，類似於一台特殊的「示波器」。

示波器是生活中常見的儀器設備，它的基本設計理念與老式顯像管電視機類似，通過周期變化的掃描電場將不同時間出射的電子轉移到顯示屏不同的位置，因此可以實現將輸入信號按時間分離的目的，時間解析度取決於掃描速度。但掃描常用的電場和磁場對光子並不起作用，因此科學家設計了一種特殊的光電結合的方式實現這一目的。

圖3 條紋相機原理圖（

Universal streak camera）

圖3是一台典型的條紋相機的原理示意圖。外界輸入的光信號隨時間進行變化，當光信號透過狹縫和透鏡系統後，到達光電陰極。由於光電效應，會使得光電陰極（Photocathode）出射與光子量成正比的電子。電子在電場中被加速（該示意圖中被橫向從左向右加速），到達電子倍增器（MCP），轟擊熒光屏或CCD，使得該信號被觀察和記錄。

最關鍵的一點是，在電子從光電陰極到電子倍增器的過程中會經過一段掃描電極（sweep electrode）的區域，該區域會產生一個沿豎直方向的掃描電場。當該掃描電場的大小和方向變化時，電子到達電子倍增器的位置就會變化。因此若是將掃描電極的電場以一定的頻率周期變化，則會實現「光學示波器」的功能。

通過這種巧妙地設計，科學家順利實現了超高解析度的光學記錄。此次「光子馬赫錐」實驗中，條紋相機的記錄速度達到了驚人的每秒一萬億幀，順利記錄到了「光子馬赫錐」，如圖4所示，其中的時間單位為皮秒（1ps=10(-12)s）。

圖4 實時記錄的「光子馬赫錐」

（Single-shot real-time video recording of a photonic Mach cone induced by a scattered light pulse）

下面的視頻是該實驗的動態結果：