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2025

Observation of Light Branching Streams

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最近整理Endnote库，发现了三个很炫酷的视频。这三个视频是当年发表在Nature^[1]题为“Observation of branched flow of light” 一篇文章的附件。我记得这个文章好像还是封面文章，今天又去这个文章主页看了下，发现引用才只有70次。

薄膜附近用微弱气流扰动薄膜，会改变势场，并实时产生不同的分支流形态，无光照下拍摄。

我不是很懂这个研究，当时只是觉得很有趣就下载看了看。这里试着通过本文简单介绍下该文章，感兴趣的可以去看原文。

文章通过实验首次观察到了光的分支流现象。分支流现象的研究背景可以追溯到波在无序介质中的传播特性。当波在具有弱无序势的介质中传播时，如果无序势的相关长度大于波长，波会在介质中形成分支流。这一现象在电子和微波腔中已被广泛研究，但在光学领域却鲜有报道。当光波在具有弱无序势的介质中传播时，会形成分支流，即光会在介质中形成一系列分支，这些分支会不断分裂，形成类似树枝的结构。

薄膜附近用微弱气流扰动薄膜，会改变势场，并实时产生不同的分支流形态，白光照明下拍摄。

分支流是波在弱关联无序势场中传播时形成分叉通道的普适现象，此前已在电子、微波和海洋波等体系中观测到，但光学领域尚未实现。其物理机制源于势场平滑涨落对波前的聚焦效应，形成由焦散线（caustics）主导的分支结构。文章通过薄肥皂膜构建光学实验平台：膜厚纳米至微米级的随机变化（通过RGB干涉显微技术重构）映射为有效折射率势场，满足关联长度()大于波长（）的条件。光波在膜内的传播由亥姆霍兹方程描述：

该方程与电子系统的薛定谔方程在数学上等价，其中势场强度对应无序涨落幅度。实验表明，首分叉距离满足标度律，且分支强度概率分布呈现显著重尾特性（如指数截断幂律分布），表明关联势场增强了极端强度事件的发生概率。此外，分支通道在传播中表现出反常的衍射抑制，其宽度在多个瑞利长度内保持稳定，区别于安德森局域化或非线性自聚焦效应。

薄膜附近用微弱气流扰动薄膜，会改变势场，并实时产生不同的分支流形态。实验装置。

文章首次在光学领域观察到了分支流现象，为光学研究开辟了新的方向。分支流现象的观察不仅验证了波在无序介质中的传播理论，而且为非线性光学、光通信和光操控等领域提供了新的研究思路。例如，分支流现象可以用于研究光在非线性介质中的传播特性，探索光与介质相互作用的新机制。此外，分支流现象还可以用于设计新型光学器件，如光束整形器、光开关和光存储器件等。

参考资料

[1]

Patsyk， A.， Sivan， U.， Segev， M.， & Bandres， M. A. （2020）.观察光的分支流。自然， 583（7814）， 60-65

Broadband perfect Littrow diffraction metasurface under large-angle incidence

Nano Letters | Zero Refractive Index Materials Enhance Measurement Signal-to-Noise Ratio

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