通过拉格朗日点引导和捕获光束的特洛伊方法

稳定拉格朗日点附近的天体动力学。拉格朗日点在太阳-木星系统。在同向旋转坐标系中，L1、L2、L3三个不稳定共线拉格朗日点对应的电位呈鞍形，L4、L5对应的电位稳定且最大。“希腊”和“特洛伊”小行星群分别在L4和L5附近被捕获。来源:罗等人

可靠地引导和捕获光波是各种当代技术功能的核心，包括通信和信息处理系统。最传统的引导光波的方法是利用光纤和其他类似结构的全内反射，但最近物理学家们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发明了一种极具创新性的捕光方法。《自然物理学》中介绍的这种方法利用了拉格朗日点的奇异性质，拉格朗日点是控制原始天体轨道的相同平衡点，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上，两个大物体施加的引力可以被离心力精确地抵消，”论文的合著者梅塞德·哈贾维汗和德米特里奥斯·n·克里斯托多里德斯告诉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来保持卫星的稳定性(如詹姆斯韦伯望远镜和最近部署的Aditya L1卫星)，但我们的研究重点是和拉格朗日点的有趣性质。”

特洛伊小行星是一大群围绕太阳运行的小行星，它们与木星的轨道相同。拉格朗日点是以发现拉格朗日点的著名数学家拉格朗日命名的。拉格朗日点是指同一系统中两个物体(如太阳和木星)的引力产生增强的吸引和排斥区域的空间位置。作为研究的一部分，Khajavikhan和Christodoulides着手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，在光学应用中使用拉格朗日点在某些方面类似于捕获太阳-木星轨道内的特洛伊小行星。

Khajavikhan和Christodoulides说:“拉格朗日光波导是通过将电流通过固化硅油圆柱体中的螺旋线而产生的。”“通过热光学效应，这反过来又产生了扭曲的指数景观，在这种情况下，光子排斥被离心力平衡。与直觉相反的是，在这个山坡折射率剖面中，产生了一个稳定的拉格朗日点，结果，特洛伊光束在这个位置以二维方式被捕获。"

作为他们研究的一部分，Khajavikhan和Christodoulides在他们的实验室里创造了一个紧凑的系统，再现了拉格朗日点的特性，比如在特洛伊小行星轨道上观察到的那些特性。他们实验室建造的系统由一根螺旋形的铁丝插入一种具有温度相关折射率的介质中组成。

来源:罗等人

研究人员随后可以通过导线将电以非均匀的方式加热这种介质。最终，这个过程使他们所说的特洛伊光束的形成成为可能。这个简单的实验导致了非常有趣的观察结果。有趣的是，研究人员发现光学特洛伊光束可以在这种散焦折射率环境中被引导或捕获，这在正常情况下是不可行的。

Khajavikhan和Christodoulides说:“更重要的是，这些光束被捕获的折射率景观完全不引人注目，没有任何可以预测引导响应的特征。”“从本质上讲，光束被困在一个没有任何地方的陆地上——在没有传统波导结构存在的完全不显眼的区域。”

这组研究人员最近的工作表明，拉格朗日点的独特特性可以用来引导和捕获光波。在未来，当传统方法在液体和气体等非常规环境中无效时，它可以形成新技术的发展，以引导光波。

Khajavikhan和Christodoulides说:“进一步探索的可能途径是在放大(激光)系统中使用特洛伊光束，在这种系统中，光的增益或损失可以为光束在完全介电介质中的吸引或排斥建立替代方法。”到目前为止，研究人员只专注于利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声波引导光的可能性，”Khajavikhan和Christodoulides补充道。“最后，我们的兴趣将是第一次观察到在拉格朗日波导中使用可诱导多个拉格朗日点的光学牵引光束捕获和传输介电微粒子和纳米粒子，这在天体力学中是不可能的。”

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