Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Схема различных мод, четыре из которых являются оптическими вихрями. Столбцы показывают спиральную структуру, фазовый фронт и интенсивность лучей.

Оптический вихрь (также известный как фотонного квантового вихря , винтовой дислокации или фазовой сингулярности ) является нулем в оптической области ; точка нулевой интенсивности . Этот термин также используется для описания луча света с таким нулем. Изучение этих явлений известно как сингулярная оптика .

Объяснение [ править ]

В оптическом вихре свет закручивается, как штопор, вокруг своей оси движения. Из-за скручивания световые волны на самой оси нейтрализуют друг друга. При проецировании на плоскую поверхность оптический вихрь выглядит как световое кольцо с темным отверстием в центре. Этот штопор света с темнотой в центре называется оптическим вихрем. Вихрю дается номер, называемый топологическим зарядом , в зависимости от того, сколько поворотов свет совершает на одной длине волны. Число всегда целое и может быть положительным или отрицательным, в зависимости от направления скручивания. Чем выше номер поворота, тем быстрее свет вращается вокруг оси.

Это вращение переносит орбитальный угловой момент с волновым цугом и вызывает крутящий момент на электрическом диполе . Орбитальный угловой момент отличается от более часто встречающегося спинового углового момента , который создает круговую поляризацию . [1] Орбитальный угловой момент света можно наблюдать при орбитальном движении захваченных частиц. При взаимодействии оптического вихря с плоской световой волной обнаруживается спиральная фаза в виде концентрических спиралей. Количество рукавов спирали равно топологическому заряду.

Оптические вихри изучаются, создавая их в лаборатории различными способами. Они могут быть сгенерированы непосредственно в лазере [2] [3] или лазерный луч может быть закручен в вихрь с помощью любого из нескольких методов, таких как компьютерные голограммы, спирально-фазовые структуры задержки или двулучепреломляющие вихри в материалах.

Свойства [ править ]

Оптическая особенность - это нуль оптического поля. Фаза в поле циркулирует вокруг этих точек с нулевой интенсивностью (давая начало названию вихря ). Вихри - это точки в 2D-полях и линии в 3D-полях (поскольку они имеют коразмерность два). Интегрирование фазы поля вокруг пути, охватывающего вихрь, дает целое число, кратное 2 π . Это целое число известно как топологический заряд или сила вихря.

В центре гипергеометрическо-гауссовой моды (HyGG) находится оптический вихрь. Балка, имеющая форму

является решением параксиального волнового уравнения (см. параксиальное приближение и статью по оптике Фурье для фактического уравнения ), состоящего из функции Бесселя . Фотоны в гипергеометрическо-гауссовом пучке имеют орбитальный угловой момент mħ . Целое число m также дает силу вихря в центре пучка. Спиновый угловой момент циркулярно поляризованного света можно преобразовать в орбитальный угловой момент. [4]

Создание [ править ]

Существует несколько методов создания гипергеометрическо-гауссовых мод , в том числе со спиральной фазовой пластиной , компьютерными голограммами , преобразованием мод, q-пластиной или пространственным модулятором света.

  • Статические спиральные фазовые пластины (SPP) представляют собой спиральные куски кристалла или пластика, которые сконструированы специально для желаемого топологического заряда и длины падающей волны. Они эффективны, но дороги. Регулируемые SPP можно сделать, переместив клин между двумя сторонами треснувшего куска пластика.
  • Компьютерные голограммы (CGH) - это рассчитанная интерферограмма между плоской волной и пучком Лагерра-Гаусса, который переносится на пленку. CGH напоминает обычную линейную дифракционную решетку Ронки , за исключением «вилочной» дислокации. Падающий лазерный луч создает дифракционную картину с вихрями, топологический заряд которых увеличивается с увеличением порядка дифракции. Нулевой порядок является гауссовым, и вихри имеют противоположную спиральность по обе стороны от недифрагированного луча. Количество зубцов в вилке CGH напрямую связано с топологическим зарядом вихря первого порядка дифракции. CGH можно сжечьнаправить большую интенсивность на первый порядок. Отбеливание превращает его из решетки интенсивности в фазовую решетку, что увеличивает эффективность.
Вихри, созданные CGH
  • Для преобразования мод требуются моды Эрмита-Гаусса (HG), которые можно легко создать внутри резонатора лазера или извне менее точными средствами. Пара астигматических линз вводит фазовый сдвиг Гуи, который создает луч LG с азимутальным и радиальным индексами, зависящими от входного HG.
  • Пространственный модулятор света является компьютерным управлением электронным жидкокристаллического устройством , которое может создавать динамические вихри, массивы вихрей, а также другие типы балок, создавая голограмму изменения показателя преломления. [5] Эта голограмма может быть узором вилки, спиральной фазовой пластиной или каким-либо подобным узором с ненулевым топологическим зарядом.
  • Деформируемое зеркало, состоящее из сегментов, можно использовать для динамического (с частотой до нескольких кГц) вихрей, даже если оно освещается лазерами большой мощности.
  • Q-пластина является двулучепреломляющим жидкокристаллическим пластина с азимутальным распределением локальной оптической оси, которая имеет топологический заряд д в его центре дефекта. Q-пластина с топологическим зарядом q может генерировать зарядовый вихрь на основе поляризации входного луча.
  • S-пластина - это технология, аналогичная q-пластине, с использованием высокоинтенсивного УФ-лазера для постоянного травления двулучепреломляющего рисунка на кварцевом стекле с азимутальным изменением быстрой оси с топологическим зарядом s. В отличие от q-пластины, длину волны которой можно настраивать, регулируя напряжение смещения на жидком кристалле, s-пластина работает только для одной длины волны света.
  • На радиочастотах легко создать (неоптический) электромагнитный вихрь. Просто расположите кольцо антенн с одной длиной волны или большим диаметром так, чтобы фазовый сдвиг широковещательных антенн изменялся по всему кольцу на целое число, кратное 2 π .

Обнаружение [ править ]

Оптический вихрь, являющийся по сути фазовой структурой, не может быть обнаружен только по профилю его интенсивности. Кроме того, поскольку вихревые пучки одного порядка имеют примерно одинаковые профили интенсивности, их нельзя охарактеризовать исключительно по их распределению интенсивности. В результате используется широкий спектр интерферометрических методов.

  • Самый простой из способов - создать помехи вихревому лучу с наклонной плоской волной , что приведет к образованию интерферограммы в виде вилки. Посчитав количество вилок в шаблоне и их относительную ориентацию, можно точно оценить порядок вихрей и соответствующий знак. [6]
  • Вихревой пучок может быть деформирован в его характерную лепестковую структуру при прохождении через наклонную линзу. Это происходит в результате самоинтерференции между разными фазовыми точками вихря. Вихревой луч порядка l будет разделен на n = l + 1 лепестков, примерно по глубине резкости наклоненной выпуклой линзы. Кроме того, ориентация лепестков (правая и левая диагональ) определяют положительный и отрицательный порядки орбитального углового момента. [7]
  • Вихревой пучок создает лепестковую структуру, когда ему мешает вихрь противоположного знака. Однако этот метод не предлагает механизма для характеристики знаков. Эту технику можно использовать, поместив призму Дове на один из путей интерферометра Маха – Цендера , накачиваемого вихревым профилем. [6]

Приложения [ править ]

Существует множество применений оптических вихрей в различных областях связи и визуализации.

  • Внесолнечные планеты были обнаружены только недавно , так как их родительская звезда очень яркая. Был достигнут прогресс в создании оптического вихревого коронографа для непосредственного наблюдения за планетами со слишком низким коэффициентом контрастности по сравнению с их родительскими объектами, чтобы их можно было наблюдать другими методами.
  • Оптические вихри используются в оптических пинцетах для манипулирования частицами микрометрового размера, такими как клетки. Такие частицы можно вращать по орбитам вокруг оси луча с помощью OAM . Микромоторы также были созданы с помощью оптического вихревого пинцета.
  • Оптические вихри могут значительно улучшить пропускную способность канала связи. Например, закрученные радиопучки могут повысить эффективность использования радиоспектра за счет использования большого количества вихревых состояний. [8] [9] [10] Величина "скручивания" фазового фронта указывает номер состояния орбитального углового момента, а лучи с другим орбитальным угловым моментом ортогональны. Такое мультиплексирование на основе орбитального углового момента может потенциально увеличить пропускную способность системы и спектральную эффективность беспроводной связи миллиметрового диапазона. [11]
  • Точно так же первые экспериментальные результаты для мультиплексирования орбитального углового момента в оптической области показали результаты на малых расстояниях [12] [13], но демонстрации на больших расстояниях все еще ожидаются. Основная проблема, с которой столкнулись эти демонстрации, заключается в том, что обычные оптические волокна изменяют спиновой угловой момент вихрей по мере их распространения и могут изменять орбитальный угловой момент при изгибе или напряжении. К настоящему времени стабильное распространение до 50 метров было продемонстрировано в специальных оптических волокнах. [14] Было продемонстрировано, что передача в свободном пространстве мод орбитального углового момента света на расстояние 143 км может поддерживать кодирование информации с хорошей надежностью.[15]
  • Современные компьютеры используют электроны, которые имеют два состояния: ноль и один. Квантовые вычисления могут использовать свет для кодирования и хранения информации. Теоретически оптические вихри имеют бесконечное количество состояний в свободном пространстве, поскольку нет предела топологическому заряду. Это могло бы позволить более быстрое манипулирование данными. Криптография сообщество также заинтересованы в оптических вихрей обещанного более высокой пропускной способности связи рассмотренного выше.
  • В оптической микроскопии оптические вихри могут использоваться для достижения пространственного разрешения за пределами нормальных дифракционных пределов с помощью метода, называемого микроскопией с вынужденным истощением излучения (STED) . Этот метод использует преимущество низкой интенсивности в сингулярности в центре луча, чтобы истощить флуорофоры вокруг желаемой области с помощью высокоинтенсивного оптического вихревого луча без истощения флуорофоров в желаемой целевой области. [16]
  • Оптические вихри могут быть также напрямую (резонансно) перенесены в поляритонные жидкости света и вещества для изучения динамики квантовых вихрей при линейных или нелинейных режимах взаимодействия. [17]
  • Оптические вихри можно идентифицировать по нелокальным корреляциям запутанных пар фотонов. [18]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Аллен, L .; Бейерсберген, МВт; Spreeuw, RJC; Woerdman, JP (1992). «Орбитальный угловой момент света и преобразование лагерро-гауссовых лазерных мод». Phys. Rev. A . 45 (11): 8185–8189. Bibcode : 1992PhRvA..45.8185A . DOI : 10.1103 / PhysRevA.45.8185 . PMID  9906912 .
  2. ^ Уайт, AG; Смит, CP; Heckenberg, NR; Рубинштейн-Данлоп, H; McDuff, R; Вайс, Колорадо; Тамм, С (1991). «Интерферометрические измерения фазовых сингулярностей на выходе лазера видимого диапазона». Журнал современной оптики . 38 (12): 2531–2541. Bibcode : 1991JMOp ... 38.2531W . DOI : 10.1080 / 09500349114552651 .
  3. ^ Найду, Дэррил; и другие. (2016). «Управляемая генерация лучей сферы Пуанкаре высшего порядка из лазера». Природа Фотоника . 10 (5): 327–332. arXiv : 1505.02256 . Bibcode : 2016NaPho..10..327N . DOI : 10.1038 / nphoton.2016.37 . S2CID 7737430 . 
  4. ^ Марруччи, L .; Manzo, C; Папаро, Д. (2006). «Оптическое преобразование спинового момента в орбитальный угловой момент в неоднородных анизотропных средах». Письма с физическим обзором . 96 (16): 163905. arXiv : 0712.0099 . Bibcode : 2006PhRvL..96p3905M . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.96.163905 . PMID 16712234 . S2CID 15600569 .  
  5. ^ Heckenberg, NR; McDuff, R; Смит, CP; Уайт, AG (1992). «Генерация оптических фазовых сингулярностей с помощью компьютерных голограмм» (PDF) . Письма об оптике . 17 (3): 221–223. Bibcode : 1992OptL ... 17..221H . DOI : 10.1364 / OL.17.000221 . PMID 19784282 .  
  6. ^ а б Гбур, Грег (2015). «Сингулярная оптика». Энциклопедия оптики . Вайли. С. 1–23. DOI : 10.1002 / 9783527600441.oe1011 . ISBN 9783527600441.
  7. ^ Вайты, Правин; Banerji, J .; Сингх, РП (2013). «Измерение топологического заряда оптического вихря с помощью наклонной выпуклой линзы». Физика Буквы A . 377 (15): 1154–1156. Bibcode : 2013PhLA..377.1154V . DOI : 10.1016 / j.physleta.2013.02.030 . ISSN 0375-9601 . 
  8. ^ Искривленные радиолучи могли распутать радиоволны
  9. ^ Использование фотонного орбитального углового момента в области низкочастотного радио
  10. ^ Кодирование множества каналов на одной и той же частоте с помощью радиовихря: первый экспериментальный тест
  11. ↑ Ян, Ян (16 сентября 2014 г.). «Высокопроизводительная связь миллиметрового диапазона с мультиплексированием орбитального углового момента» . Nature Communications . 5 : 4876. Bibcode : 2014NatCo ... 5.4876Y . DOI : 10.1038 / ncomms5876 . PMC 4175588 . PMID 25224763 .  
  12. ^ « « Скрученный свет »передает 2,5 терабит данных в секунду» . BBC News . 2012-06-25 . Проверено 25 июня 2012 .
  13. ^ Bozinovic Ненад (июнь 2013). "Мультиплексирование с разделением мод в волокнах с орбитальным угловым моментом в терабитном масштабе". Наука . 340 (6140): 1545–1548. Bibcode : 2013Sci ... 340.1545B . DOI : 10.1126 / science.1237861 . PMID 23812709 . 
  14. ^ Грегг, Патрик (январь 2015). «Сохранение орбитального углового момента в световодах с воздушной сердцевиной». Optica . 2 (3): 267–270. arXiv : 1412.1397 . DOI : 10.1364 / optica.2.000267 .
  15. ^ Кренн, М; и другие. (2016). «Передача витого света на 143 километра» . PNAS . 113 (48): 13648–13653. arXiv : 1606.01811 . Bibcode : 2016PNAS..11313648K . DOI : 10.1073 / pnas.1612023113 . PMC 5137742 . PMID 27856744 .  
  16. ↑ Ян, Лу (сентябрь 2015 г.). «Q-пластина позволила спектрально разнообразное преобразование орбитального углового момента для микроскопии истощения стимулированного излучения» . Optica . 2 (10): 900–903. DOI : 10.1364 / optica.2.000900 .
  17. ^ Dominici, L; Dagvadorj, G; Стипендиаты, JM; и другие. (2015). «Вихревая и полувихревая динамика в нелинейной спинорной квантовой жидкости» . Наука продвигается . 1 (11): e1500807. arXiv : 1403.0487 . Bibcode : 2015SciA .... 1E0807D . DOI : 10.1126 / sciadv.1500807 . PMC 4672757 . PMID 26665174 .  
  18. ^ Gomes, RM; Salles, A .; Тоскано, Ф .; Соуто-Рибейро, PH (16 июля 2009 г.). «Наблюдение нелокального оптического вихря». Phys. Rev. Lett . 103 : 033602. arXiv : 0902.1659 . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.103.033602 .

См. Также [ править ]

  • Орбитальный угловой момент света

Внешние ссылки [ править ]

  • Видео моделирования распространения вихревого дифракционного оптического элемента от ближнего поля до дальнего поля с помощью Holo / Or
  • Оптические вихри и оптический пинцет в Университете Глазго
  • Список магистров по сингулярной оптике, составленный Гровером Шварцлендером-младшим, Университет Аризоны, Тусон
  • Оптический вихревой коронограф , Грегори Фу и др., Университет Аризоны, Тусон
  • Оптический пинцет , Дэвид Гриер, Нью-Йоркский университет
  • Избранные публикации об оптических вихрях в Австралийском национальном университете
  • «Все облажались: статья в журнале Scientific American » . Архивировано из оригинала на 2007-10-15 . Проверено 22 августа 2007 .
  • « „ Легкие пакеты больше информации Круговерть“в один фотон: New Scientist статье» .
  • «Световые лучи в режимах высокого порядка» .
  • «Шифрование с использованием витого света» .
  • «Искаженная физика: ученые создают узлы света» . Fox News . 2010-01-18.