A velocidade de propagação do speckle óptico

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 9071 (2023) Citar este artigo

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O fato de a velocidade da luz no vácuo ser constante é um dos pilares da física moderna. No entanto, experimentos recentes mostraram que quando o campo de luz é confinado no plano transversal, a velocidade de propagação observada da luz é reduzida. Este efeito é consequência da estrutura transversal que reduz a componente do vetor de onda da luz na direção de propagação, modificando assim tanto a fase quanto a velocidade de grupo. Aqui, consideramos o caso do speckle óptico, que tem uma distribuição transversal aleatória e é onipresente com escalas que vão do microscópico ao astronômico. Nós investigamos numericamente a velocidade de propagação plano a plano do speckle óptico usando o método de análise de espectro angular. Para um difusor geral com dispersão gaussiana em uma faixa angular de 5°, calculamos que a desaceleração da velocidade de propagação do speckle óptico seja da ordem de 1% da velocidade do espaço livre, resultando em um atraso temporal significativamente maior em comparação às vigas Bessel e Laguerre-Gaussianas consideradas anteriormente. Nossos resultados têm implicações para o estudo do speckle óptico em ambientes laboratoriais e astronômicos.

A velocidade da luz é uma propriedade fundamental da luz, tanto em termos de ondas quanto de fótons. É geralmente aceito que a velocidade no vácuo é uma constante c, que é uma das unidades fundamentais da natureza a partir da qual a unidade de comprimento é definida1. A comunidade de física óptica, no entanto, ficou fascinada por controlar e observar desvios dessa constante. Um exemplo bem conhecido são os fenômenos relacionados de luz lenta e rápida2,3,4, onde a velocidade do grupo de pulsos de luz é modificada através de um sistema material, incluindo vapores atômicos5, átomos ultrafrios6, fibras ópticas7,8,9, cristais fotônicos10, e assim por diante11,12,13,14. A base desses efeitos geralmente está associada à dispersão cromática de um pulso de luz, que tende a se espalhar ou distorcer temporalmente à medida que se propaga através de um meio óptico. Um mecanismo alternativo para controlar a velocidade de grupo da luz é por meio de pacotes de ondas de propagação invariante com estrutura espaço-temporal subjacente15, como pulsos de Bessel-X16 e pacotes de ondas de espaço-tempo17, 18. Com base nesses fenômenos, várias estratégias foram propostas para realizar a propagação superluminal19,20,21,22 e velocidades de grupo arbitrariamente ajustáveis23,24,25,26 no espaço livre. Tais implementações são facilitadas pelo acoplamento espaço-tempo, onde os pulsos de luz sofrem modelagem espaço-temporal por meio de correlação estreita entre os graus de liberdade espacial e temporal15, 18.

Além desses vários fenômenos, mais recentemente foi reconhecido que o confinamento transversal de uma onda ou a estrutura espacial de um único fóton modificará sua velocidade de propagação, resultando em uma velocidade de grupo subluminal27. Essa modificação decorre da divergência ou convergência da viga em função da estrutura transversal da viga. Essa desaceleração da velocidade de propagação, induzida pela estrutura espacial, denominamos "luz lenta estruturada", que pode ocorrer na ausência de qualquer meio. Para um exemplo simples, dentro de um guia de onda oco, os modos transversais que viajam entre dois planos produzem uma velocidade de grupo inferior a c28. De acordo com a teoria dos guias de ondas, a relação entre a velocidade de fase vϕ e a velocidade de grupo vg,z ao longo do guia de ondas aparece como vϕvg,z = c229. Isso significa que, considerando a redução do vetor de onda projetado axialmente kz ao longo da guia versus o número de onda fixo k0, há uma velocidade de fase superior a c, resultando em uma velocidade de grupo reduzida, onde \(k_{0} = {{2 \pi } \mathor{\left/ {\vphantom {{2\pi } \lambda }} \right.\kern-0pt} \lambda }\) e λ é o comprimento de onda óptico. Deve-se enfatizar aqui que essa desaceleração não é causada diretamente pelo guia de ondas, mas sim pelas condições de contorno que o guia de ondas impõe à estrutura espacial transversal.