光的傳播方向是怎樣的？

光沿直線傳播的前提是在同種均勻介質(zhì)中。光的直線傳播不僅是在均勻介質(zhì)，而且必須是同種介質(zhì)?？梢院喎Q為光的直線傳播，而不能為光沿直線傳播。光在兩種均勻介質(zhì)的接觸面上是要發(fā)生折射的，此時光就不是直線傳播了。 用波動學解釋光的傳播：傳播途中每一點都是一個次波點源，發(fā)射的是球面波，對光源面（一個有限半徑的面積）發(fā)出的所有球面波積分，當光源面遠大于波長時結(jié)果近似為等面積、同方向的柱體，即表現(xiàn)為直線傳播，實際上也有發(fā)散（理想激光除外）。比如手電發(fā)出的光有很明顯的發(fā)散。光的亮度越強大，離照明參照物越近，光的單色性越好，發(fā)散越不明顯。當光源半徑與波長可比擬時積分時的近似條件不成立，積分結(jié)果趨向球面波，即表現(xiàn)為衍射。光是直線傳播(均勻介質(zhì)中)的，但當光遇到另一介質(zhì)(均勻介質(zhì))時方向會發(fā)生改變，改變后依然緣直線傳播。而在非均勻介質(zhì)中，光一般是按曲線傳播的。以上光的傳播路徑都可以通過費馬原理來確定。光是延前后左右上下各個方向傳播的，光的亮度越亮，越不明顯看出，當光亮度較暗時，由發(fā)光體到照明參照物的光會擴大，距離越遠，擴散的越大，由最初的形狀擴散到消失為止，而當發(fā)光體離照明參照物零距離時，光的形狀是發(fā)光體真正的形狀大小，所以光傳播的方向與光的亮度、光與照明參照物的距離有關(guān)！

物理學家早在1個世紀前就已知道，一束光除了擁有線動量外，還擁有角動量。但直到大約15年前，他們才認識到光擁有兩種不同形式的角動量。在4月28日的物理學評論（PRL: Physics Review Letters）上，研究人員描述了一種能夠使光的角動量在兩種不同形式間轉(zhuǎn)換的方法，這項技術(shù)最終可能會被應(yīng)用于計算機和通信領(lǐng)域。

想象有一束圓偏振光正射向你，你會發(fā)現(xiàn)這束光的電場矢量就好像是許多時鐘上的指針，在不停的旋轉(zhuǎn)。這些指針都以相同的速度旋轉(zhuǎn)著，但都不指向同一個時刻。假設(shè)我們將這一畫面靜止下來，我們可能會發(fā)現(xiàn)位于光束上端的那個鐘顯示著3點，右邊的那個鐘顯示著6點，而其它的鐘都顯示著各種不同的時刻。

在量子力學中，光是由光子組成的，其中每一個光子都能表現(xiàn)整束光所擁有的性質(zhì)。上文提到的那些時鐘，所對應(yīng)的是帶一個單位自旋的光子，指針旋轉(zhuǎn)的方向決定了其自旋的正負。而那些指針不都指向同一時刻的原因，在于這些光子還擁軌道角動量。一個光子的軌道角動量，原則上可以取從負無窮到正無窮的任意整數(shù)。
意大利那不勒斯大學（the University of Naples, Italy）的Lorenzo Marrucci說，軌道角動量這一概念十分抽象，很難用語言來描述，它會以一種與自旋不同的方式與物質(zhì)發(fā)生作用。例如在一束光中，如果有一個粒子位于光軸外，并且吸收了一個帶有軌道角動量的光子，它就會繞著這束光的光軸旋轉(zhuǎn)，而不是繞著其自身的軸自旋。

Marrucci及其同事研制出了一種裝置，它能夠反轉(zhuǎn)光子的自旋，并將自旋角動量的變化轉(zhuǎn)換為軌道角動量的變化。例如，一個帶+1自旋，零軌道角動量的光子穿過這個裝置后，就會變?yōu)橐粋€帶-1自旋，軌道角動量為+2的光子。在這一過程中，光子的自旋與軌道角動量的總和保持不變，而且這一規(guī)律對任意自旋及軌道角動量都成立。

這一轉(zhuǎn)換裝置最初是從半波片開始設(shè)計的。在半波片中，光的傳播速度取決其電場方向與波片材料中晶格方向的相對關(guān)系。一般來說，一個半波片能將右旋圓偏振光（順時針方向）變成左旋圓偏振光，或?qū)⒆笮兂捎倚?，這種轉(zhuǎn)變實質(zhì)上就是改變了光子自旋的符號。那不勒斯的物理學家所設(shè)計的是一個更為復(fù)雜的裝置。在構(gòu)成這一轉(zhuǎn)換器的光學材料中，有一個晶軸的方向與其它晶軸的方向不同。更確切的說，該特殊晶軸的方向會隨著它在波片上位置的不同而改變。在對光學材料作了這樣一番改進后，這個裝置就能在不吸收光子自旋角動量情況下，反轉(zhuǎn)光子的自旋，而自旋角動量的變化則會在輸出光子的軌道角動量上表現(xiàn)出來。

“意大利人的這項工作十分有趣”，來自蘇格蘭格拉斯哥大學（the University of Glasgow, Scotland）的Johannes Courtial的說。雖然這項技術(shù)離實際應(yīng)用還有很長的路要走，但Courtial和Marrucci都認為，由于光子的軌道角動量能比自旋攜帶更多的信息，如果我們能對軌道角動量進行很好的控制的話，就有可能開發(fā)出一種新的通訊方法。另外Courtial還說，如果我們能控制一個光子的自旋與其軌道角動量之間的相互作用，我們就有可能研究出一種全新的邏輯運算，應(yīng)用在未來的光子或量子計算機中。