近日，英国格拉斯哥大学的研究团队发表了一项创新研究，宣布他们成功研发出一种全新的光波导技术。这种波导利用扩散物理学实现了能量传输，展示了在强散射介质中光的密度模式引导的新机制。该工作以“Energy transport in diffusive waveguides”为题，发表在《Nature Physics》上。
研究团队开发了一种独特的波导设计，通过在强散射、光不透明的介质中植入一个光密度“核心”，使得光子密度能够沿着核心结构进行引导传播。这种机制不同于传统光纤依赖的全内反射模式，而是利用扩散效应实现光密度的指数衰减，进而形成“引导模式”。实验结果显示，这种光密度模式的能量传输效率比无核心结构的情况提高了多个数量级，甚至能够沿弯曲的路径传播。该研究不仅在光通信、光芯片等领域具有广泛应用潜力，还揭示了该机制在生物体中的自然存在，如大脑周围的脑脊液和肌腱中可以发现类似的光密度模式引导现象。
创新光波导机制：基于散射而非反射
传统的光波导技术依赖于介质内外折射率的差异来实现光的全内反射，从而将光束限制在特定区域内。为了实现长距离、低损耗的光传输，光纤依赖纯度极高的玻璃材料。然而，在强散射介质中，如雾霾或生物组织中，光会被多次散射，使得光难以实现远距离传播。在这种情况下，研究团队发现，光密度的指数衰减本身可以形成一种有效的引导机制。通过在散射介质中引入散射率低的“核心”结构，光密度能够在该核心中聚集，沿着核心方向传播，并且可以沿非线性路径延伸。
图1：光子在密度导引模式示意图。
实验验证：提升能量传输效率
该研究团队通过在3D打印的树脂结构中嵌入钛白粉-甘油溶液充填的核心，观察到光密度模式的有效引导。这些实验表明，核心结构能够显著提高光的传输效率。研究发现，相比无核心的波导结构，核心结构可将光传输效率提高超过百倍。此外，即使核心呈现弯曲形状，光密度模式仍然能实现引导，尽管在弯曲过程中会产生较高的模态损耗。这一发现展示了该波导设计的鲁棒性及其在复杂路径中的光导潜力。
自然中的光密度引导现象
这一创新机制不仅仅限于实验室模拟环境中。在自然界中，研究人员也发现了类似的现象。例如，人类大脑周围的脑脊液能够在强散射的骨骼和灰白质中形成一种光密度引导路径。这一发现使得科学家重新思考了脑脊液的作用，未来或许可以利用这一原理来实现跨大脑区域甚至跨全脑的光传输。此外，人体的肌腱也展示了类似的光传导能力，有望应用于生物组织成像等领域。
该研究揭示的波导机制不仅仅适用于光，还适用于其他依赖扩散原理的粒子传输，如中子扩散等。这一机制的通用性将为未来的跨领域应用提供新的思路，例如在核工程、医学成像等领域应用扩散波导结构以实现更高效的能量或信息传输。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41567-024-02665-z
