透過探索光束在體育場館中的相互作用，科學家對光束的複雜行為有了更深入的了解。對光的利用和控制在技術進步中起著舉足輕重的作用，影響能量收集、計算、通訊和生物醫學感測。然而，在現實世界中，光的複雜行為為高效控制帶來了挑戰。

研究人員能夠控制透過特殊設計的腔體的各種光頻的行為。這項成功的實驗為光纖技術的進步鋪平了道路，從而為能源儲存、運算和訊號處理提供了更大的便利。圖片來源：蔣雪峰

物理學家安德烈亞-阿盧（Andrea Alù）將光在混沌系統中的行為與撞球遊戲相提並論，在撞球遊戲中，母球發射的微小變化會導致檯面上不同的球軌跡。

紐約市立大學研究生中心愛因斯坦物理學教授、紐約市立大學高級科學研究中心光子學計劃創始主任、紐約市立大學傑出教授阿盧說：”在台球遊戲中，母球發射方式的微小變化會導致球在桌面上彈跳的不同模式。光線在混沌腔中的運作方式與此類似。要建立模型來預測會發生什麼變得很困難，因為你可以用類似的設定多次進行實驗，而每次都會得到不同的反應”。

在發表於《自然-物理》（Nature Physics）的一項新研究中，由紐約市立大學研究生中心的研究人員領導的團隊描述了一個新平台，透過利用光本身來定制光的散射模式，從而控制光的混沌行為。此計畫由共同第一作者蔣雪峰和尹世雄領導，蔣雪峰曾是阿盧實驗室的博士後研究員，現任塞頓霍爾大學物理助理教授，尹世雄則是阿盧實驗室的研究生。

研究光行為的傳統平台通常使用圓形或規則形狀的諧振腔，光線在其中以更可預測的模式反彈和散射。例如，在圓形腔體中，只有可預測的獨特頻率（光的顏色）才能存活，每個支撐的頻率都與特定的空間模式或模式相關聯。蔣雪峰說，單一頻率下的一種模式足以理解圓腔中的物理現象，但這種方法並不能完全展現複雜平台中光行為的複雜性。”在一個支援混沌光模式的空腔中，注入空腔的任何單一頻率都能激發成千上萬種光模式，而人們通常認為這注定了控制光學響應的機會。我們已經證明，控制這種混沌行為是可能的。”

為了應對這項挑戰，研究小組設計了一個大型體育場狀空腔，空腔頂部敞開，兩側有兩個通道，將光線引入空腔。當射入的光線從牆壁上散射並反彈時，上方的攝影機會記錄從體育場逃逸的光量及其空間模式。

設備側面的旋鈕用於管理兩個輸入端的光強度以及它們之間的延遲。相向的通道會導致光束在體育場空腔中相互幹擾，從而透過一種稱為”相干控制”的過程控制一束光對另一束光的散射。透過調整進入兩個通道的光束的相對強度和延遲時間，研究人員始終如一地改變了光在腔外的輻射模式。

這種控制是透過共振腔中一種罕見的光行為來實現的，這種行為被稱為”無反射散射模式”（RSMs）。尹認為，這項工作中所展示的操縱RSMs的能力可以有效地激發和控制複雜的光學系統，這對能量儲存、計算和訊號處理都有影響。

“我們發現，在某些頻率下，我們的系統可以支援兩個獨立、重疊的RSM，這使得所有光線都能進入體育場腔，而不會反射回我們的通道端口，從而實現了控制，”尹說。”我們的演示處理的是我們日常生活中使用的光纖頻寬範圍內的光訊號，因此這一發現為在複雜的光學平台中更好地儲存、路由和控制光訊號鋪平了一條新路。”

研究人員的目標是在未來的研究中加入更多的旋鈕，提供更多的自由度，進一步揭示光行為的複雜性。