Оптический вихрь - Optical vortex

Схема различных мод, четыре из которых являются оптическими вихрями. Столбцы показывают спиральные структуры, фазовый фронт и интенсивность лучей.

An оптический вихрь (также известный как фотонный квантовый вихрь, винтовая дислокация или же фазовая особенность) является нулем оптическое поле; точка нуля интенсивность. Этот термин также используется для описания луча света с таким нулем. Изучение этих явлений известно как особая оптика.

Объяснение

В оптическом вихре свет закручивается, как штопор, вокруг своей оси движения. Из-за скручивания световые волны на самой оси гасят 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 присвоен номер, называемый топологический заряд, в зависимости от того, сколько поворотов делает свет 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.

Этот спиннинг несет орбитальный угловой момент с волновым цугом, и вызовет крутящий момент на электрический диполь. Орбитальный угловой момент отличается от более часто встречающихся спиновый угловой момент, который производит круговая поляризация.[1] Орбитальный угловой момент света можно наблюдать при орбитальном движении захваченных частиц. Вмешательство оптического вихря с плоская волна света показывает спиральную фазу в виде концентрических спиралей. Количество рукавов спирали равно топологическому заряду.

Оптические вихри изучаются, создавая их в лаборатории различными способами. Их можно сгенерировать прямо в лазере,[2][3] или лазер Луч можно превратить в вихрь с помощью любого из нескольких методов, таких как компьютерные голограммы, спирально-фазовые структуры задержки или двулучепреломляющие вихри в материалах.

Характеристики

Оптическая особенность - это нуль оптического поля. Фаза в поле циркулирует вокруг этих точек нулевой интенсивности (отсюда и название вихрь). 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 2π. Это целое число известно как топологический заряд или сила вихря.

А гипергеометрическо-гауссовский режим (HyGG) имеет оптический вихрь в центре. Балка, имеющая форму

является решением параксиального волнового уравнения (см. параксиальное приближение, а Фурье-оптика статья для фактическое уравнение ) состоящий из Функция Бесселя. Фотоны в гипергеометрическо-гауссовом пучке имеют орбитальный угловой момент мħ. Целое число м также дает силу вихря в центре луча. Спиновый угловой момент циркулярно поляризованного света можно преобразовать в орбитальный угловой момент.[4]

Творчество

Существует несколько методов создания Гипергеометрическо-гауссовские моды, в том числе со спиралью фазовая пластина, компьютерная голограммы, преобразование режима, a q-пластина, или пространственный модулятор света.

  • Статические спиральные фазовые пластины (SPP) представляют собой спиралевидные куски кристалла или пластика, которые сконструированы специально для желаемого топологического заряда и длины падающей волны. Они эффективны, но дороги. Регулируемые SPP могут быть сделаны путем перемещения клина между двумя сторонами треснувшего куска пластика.
  • Компьютерные голограммы (CGH) - рассчитанные интерферограмма между плоской волной и Пучок Лагерра-Гаусса который переносится на фильм. CGH похож на обычный Линейная дифракционная решетка Ронки Спасите "вилку" вывиха. 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 может быть пылал направить большую интенсивность на первый порядок. Отбеливание превращает его из решетки интенсивности в фазовую решетку, что увеличивает эффективность.
Вихри, созданные CGH
  • Преобразование режима требует Эрмит-гауссовский (HG), которые могут быть легко реализованы внутри лазерного резонатора или снаружи менее точными средствами. Пара астигматических линз представляет собой Сдвиг фазы Гуи который создает луч LG с азимутальным и радиальным индексами, зависящими от входного HG.
  • А пространственный модулятор света представляет собой электронное жидкокристаллическое устройство с компьютерным управлением, которое может создавать динамические вихри, массивы вихрей и другие типы лучей, создавая голограмму с различными показателями преломления.[5] Эта голограмма может быть образцом вилки, спиральной фазовой пластиной или каким-либо подобным узором с ненулевым топологическим зарядом.
  • Деформируемое зеркало Сделанные из сегментов, можно использовать для динамического (с частотой до нескольких кГц) создания вихрей, даже если они освещены лазерами высокой мощности.
  • А q-пластина это двулучепреломляющий жидкокристаллический пластина с азимутальным распределением локальной оптической оси, имеющая топологический заряд q в центре дефекта. Q-пластина с топологическим зарядом q может генерировать зарядовый вихрь на основе поляризации входного пучка.
  • S-пластина - это технология, аналогичная q-пластине, с использованием высокоинтенсивного УФ-лазера для постоянного травления двулучепреломляющий образец в кремнезем стекло с азимутальным изменением по 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 целым числом, кратным 2.π по кольцу.

Обнаружение

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 только по их распределению интенсивности. В результате используется широкий спектр интерферометрических методов.

  • Самый простой из способов - создать помехи вихревому пучку наклонному плоская волна, что дает интерферограмму 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, проходя через наклонную линзу. Это происходит в результате самоинтерференции между разными фазовыми точками вихря. Вихревой пучок порядка л будет разделен на п = л + 1 доли, примерно на уровне глубины 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 Голубь призма на одной из тропинок Интерферометр Маха – Цендера, закачиваемая по вихревому профилю.[6]

Приложения

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

  • Внесолнечные планеты только недавно были непосредственно обнаружен, поскольку их родительская звезда такая яркая. Достигнут прогресс в создании оптического вихревой коронограф непосредственно наблюдать планеты со слишком низким коэффициентом контрастности по сравнению с их родительскими объектами, чтобы их можно было наблюдать другими методами.
  • Оптические вихри используются в оптический пинцет для манипулирования частицами микрометрового размера, такими как клетки. Такие частицы можно вращать по орбитам вокруг оси пучка с помощью OAM. Микромоторы также были созданы с помощью оптического вихревого пинцета.
  • Оптические вихри могут значительно улучшить пропускную способность канала связи. Например, скрученные радиолучи могут увеличить радиосигнал. спектральная эффективность 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. Такой мультиплексирование на основе орбитального углового момента потенциально может увеличить пропускную способность системы и спектральную эффективность беспроводной связи миллиметрового диапазона.[11]
  • Точно так же ранние экспериментальные результаты для мультиплексирование орбитального углового момента в оптической области показали результаты на малых расстояниях,[12][13] но демонстрации на большие расстояния 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. На данный момент 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 может 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. В криптография Сообщество также заинтересовано в оптических вихрях, поскольку они обещают более широкополосную связь, о которой говорилось выше.
  • В оптической микроскопии оптические вихри могут использоваться для достижения пространственного разрешения за пределами нормальных дифракционных пределов, используя метод, называемый Микроскопия стимулированного истощения выбросов (STED). Этот метод использует низкую интенсивность на сингулярности в центре луча, чтобы уменьшить флуорофоры вокруг желаемой области с помощью высокоинтенсивного оптического вихревого луча без истощения флуорофоров в желаемой целевой области.[16]
  • Оптические вихри также могут быть непосредственно (резонансно) переведены в поляритонные жидкости света и материи для изучения динамики квантовые вихри при линейном или нелинейном режимах взаимодействия.[17]

Рекомендации

  1. ^ Allen, L .; Beijersbergen, M. W .; Spreeuw, R.J.C .; Вурдман, Дж. П. (1992). «Орбитальный угловой момент света и преобразование лагерро-гауссовых лазерных мод». Phys. Ред. А. 45 (11): 8185–8189. Bibcode:1992ПхРвА..45.8185А. Дои: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 ... 38,2531 Вт. Дои: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:2016НаФо..10..327Н. Дои:10.1038 / nphoton.2016.37.
  4. ^ Marrucci, L .; Manzo, C; Папаро, Д. (2006). «Оптическое преобразование спинового момента в орбитальный угловой момент в неоднородных анизотропных средах». Письма с физическими проверками. 96 (16): 163905. arXiv:0712.0099. Bibcode:2006ПхРвЛ..96п3905М. Дои:10.1103 / PhysRevLett.96.163905. PMID  16712234.
  5. ^ Heckenberg, NR; McDuff, R; Смит, CP; Уайт, AG (1992). «Генерация оптических фазовых особенностей с помощью компьютерных голограмм» (PDF). Письма об оптике. 17 (3): 221–223. Bibcode:1992OptL ... 17..221H. Дои:10.1364 / OL.17.000221. PMID  19784282.
  6. ^ а б Гбур, Грег (2015). «Сингулярная оптика». Энциклопедия оптики. Вайли. С. 1–23. Дои:10.1002 / 9783527600441.oe1011. ISBN  9783527600441.
  7. ^ Вайты, Правин; Banerji, J .; Сингх, Р.П. (2013). «Измерение топологического заряда оптического вихря с помощью наклонной выпуклой линзы». Письма о физике A. 377 (15): 1154–1156. Bibcode:2013ФЛА..377.1154В. Дои:10.1016 / j.physleta.2013.02.030. ISSN  0375-9601.
  8. ^ Искривленные радиолучи могут распутать радиоволны
  9. ^ Использование орбитального углового момента фотона в области низких частот
  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:2014 НатКо ... 5.4876Y. Дои:10.1038 / ncomms5876. ЧВК  4175588. PMID  25224763.
  12. ^ "'Twisted Light "передает 2,5 терабит данных в секунду". Новости BBC. 2012-06-25. Получено 2012-06-25.
  13. ^ Божинович, Ненад (июнь 2013 г.). "Терабитное мультиплексирование с разделением мод орбитального углового момента в волокнах". Наука. 340 (6140): 1545–1548. Bibcode:2013Наука ... 340.1545B. Дои: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. Дои: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. Дои:10.1073 / pnas.1612023113. ЧВК  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. Дои:10.1364 / optica.2.000900.
  17. ^ Dominici, L; Dagvadorj, G; Стипендиаты, JM; и другие. (2015). «Вихревая и полувихревая динамика в нелинейной спинорной квантовой жидкости». Достижения науки. 1 (11): e1500807. arXiv:1403.0487. Bibcode:2015SciA .... 1E0807D. Дои:10.1126 / sciadv.1500807. ЧВК  4672757. PMID  26665174.

Смотрите также

внешняя ссылка