20年預測終於證實！來自激光的美妙三維分形光！

博科園：本文為光學與光子學類

分形圖案在自然界中很常見，包括龜殼的幾何圖案、蝸牛殼的結構、肉質植物的葉子，這些葉子會不斷重複以形成複雜的圖案，還有冬天汽車擋風玻璃上的霜凍圖案。分形具有多重尺度上結構重複的幾何特徵，從羅馬花椰菜到蕨類植物，甚至在鹽田、山脈、海岸線和雲朵等更大尺度上都可以發現分形。樹和山的形狀也是自相似的，樹枝看起來像一棵小樹，岩石露頭看起來像一座小山。在過去的二十年里，科學家們預測分形光可以用激光產生。由於其高度拋光的球形鏡面，激光幾乎是與自然完全相反，因此當研究人員在1998年預測出一類激光器發出的分形光束時，這讓人感到意外。

博科園-科學科普：現在來自南非和蘇格蘭的一個研究小組證明了激光可以產生分形光，驗證了20年來的預測！本月發表在《物理評論A》上的一篇研究論文中，該研究小組首次為簡單激光發出的分形光提供了實驗證據，並提出了一個新的預測：分形圖案應該存在於三維空間中，而不像之前認為的僅僅存在於二維空間中。大自然通過一個簡單規則的多次遞歸來創建這種「模式中的模式」，例如，生成一片雪花。計算機程序還通過反覆循環規則生成分形，著名的是生成了抽象曼德爾布羅特集合。激光器內部的光也會來回循環，每次經過時在鏡子之間來回反射，這樣就可以在每次往返時將光反射到鏡子內部。

分形圖案的橫截面，由Wits結構光實驗室的激光器產生。圖片：Wits University

這看起來就像一個遞歸循環，一遍又一遍地重複一個簡單的規則。成像意味著每次光線返回到成像平面時，它都是原來的圖像的一個更小(或更大)的版本：一個模式中的一個模式中的一個模式。分形在成像、網路、天線甚至醫學上都有應用。研究小組希望，可以直接用激光設計的分形光的發現，將為基於這些奇異的結構光狀態的新應用和技術打開大門。威特沃特斯蘭德大學的安德魯·福布斯教授和格拉斯哥大學的約翰內斯·古特爾教授共同領導了這項研究。在流行科學領域，混亂被稱為『蝴蝶效應』，一個地方的小變化會在另一個地方產生大變化——例如，一隻蝴蝶在亞洲扇動翅膀，在美國引發了一場颶風，這已經被證明是真的。

由Wits結構光實驗室激光器產生的幾種分形光圖案。圖片：Wits University

在解釋分形光的發現時，研究團隊意識到在激光中尋找分形的重要性。如果你看錯了激光內部的位置，只會看到一團模糊的光，在正確的位置，成像發生的地方，會看到分形。該項目將格拉斯哥團隊的理論專業知識與Wits和CSIR(科學與工業研究理事會)研究人員在南非進行的實驗驗證相結合。這個實驗的最初版本是由Darryl Naidoo博士(CSIR和Wits的成員)完成的，Hend Sroor博士(Wits的成員)作為她博士的一部分完成。令人驚訝的是，正如預測的那樣，演示這種效果的唯一要求是使用一個簡單的激光器和兩個拋光的球面鏡，它一直都在那裡，只是很難看到你是不是在看正確的地方。

用於創建光分形圖案的激光儀器裝置。圖片：Wits University

博科園-科學科普｜研究/來自: 金山大學

參考期刊文獻:《物理評論A》

DOI: 10.1103/PhysRevA.99.013848

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