如何产生并记录一个“光子马赫锥”？

雷锋网按：本文作者看风景的蜗牛君，中科院光学工程博士。雷锋网独家首发。

相信对很多人来说，“音爆”这个词并不陌生。当物体运行速度大于声速，突破音障时，由于物体本身对空气的压缩无法迅速传播，逐渐在物体的迎风面积累而终形成激波面，在激波面上声学能量高度集中。这些能量传到人们耳朵里时，会让人感受到短暂而极其强烈的爆炸声，称为“音爆”。

而当物体超音速飞行时，除了会出现音爆的现象，还会出现一个所谓的“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、把空间分为扰动区和未扰动区的锥面。这个锥面会使得空气急剧压缩，因此空气中的水蒸气迅速液化为水雾，这使得飞行器的马赫锥可以被拍摄下来，成为军事爱好者的一大乐趣。

 图1 超音速飞行器产生的马赫锥（图片来自网络）

可以看出，空气中马赫锥的产生是由于声源的速度大于声音的传播速度引起的。同样的道理，若是光源的速度大于光向四周传播的速度，理论上也会产生“光子马赫锥”。但乍看起来这是个谬论，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，光速有所减缓（cn=c/n），但对人类目前的科技手段，仍然望尘莫及。

于是，科学家设计了一个精巧的实验，他们将一束超短脉冲激光射入散射介质中，其折射率为ns，脉冲光沿途点亮散射介质，充当新的光源。这种情况下，光源的速度相当于散射介质中的光速（c/ns）。

那么如何降低散射光的传播速度呢？科学家在散射介质两侧放置了更高折射率（nd）的介质，使得散射光的传播速度为c/nd，由于ns<nd，因此可以实现光源速度大于光向四周传播的速度的目的，如下图所示。

图2 光子马赫锥的产生原理

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

这个原理理解起来并不困难，而且客观地说，产生这样的一个光子马赫锥也不困难，但困难的是如何去把这个锥面实时记录下来。与音爆时产生的马赫锥不同，这个光子马赫锥产生的速度实在是太快了，普通的相机根本无法捕捉到这样的画面。因此科学家使用了一种称为“条纹相机”的超高速扫描照相机实现了这一目的。

“条纹相机”是一种特殊的装置，可以实现超高时间分辨率的光学记录。其实它的原理并不复杂，类似于一台特殊的“示波器”。

示波器是生活中常见的仪器设备，它的基本设计理念与老式显像管电视机类似，通过周期变化的扫描电场将不同时间出射的电子转移到显示屏不同的位置，因此可以实现将输入信号按时间分离的目的，时间分辨率取决于扫描速度。但扫描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特殊的光电结合的方式实现这一目的。

 图3 条纹相机原理图（Universal streak camera）

图3是一台典型的条纹相机的原理示意图。外界输入的光信号随时间进行变化，当光信号透过狭缝和透镜系统后，到达光电阴极。由于光电效应，会使得光电阴极（Photocathode）出射与光子量成正比的电子。电子在电场中被加速（该示意图中被横向从左向右加速），到达电子倍增器（MCP），轰击荧光屏或CCD，使得该信号被观察和记录。

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会经过一段扫描电极（sweep electrode）的区域，该区域会产生一个沿竖直方向的扫描电场。当该扫描电场的大小和方向变化时，电子到达电子倍增器的位置就会变化。因此若是将扫描电极的电场以一定的频率周期变化，则会实现“光学示波器”的功能。

通过这种巧妙地设计，科学家顺利实现了超高分辨率的光学记录。此次“光子马赫锥”实验中，条纹相机的记录速度达到了惊人的每秒一万亿帧，顺利记录到了“光子马赫锥”，如图4所示，其中的时间单位为皮秒（1ps=10(-12)s）。

 图4 实时记录的“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：