Optikai örvény - Optical vortex

Image
A különböző módok diagramja, amelyek közül négy optikai örvény. Az oszlopok a gerendák spirális szerkezetét, fázisfrontját és intenzitását mutatják

Az optikai örvény (más néven fotonikus kvantumörvény , csavar diszlokáció vagy fázisszingularitás ) az optikai mező nulla ; nulla intenzitású pont . A kifejezést olyan fénysugár leírására is használják, amelyben ilyen nulla van. Ezeknek a jelenségeknek a tanulmányozása szinguláris optika néven ismert .

Magyarázat

Egy optikai örvényben a fény dugócsavarként csavarodik a tengelye körül. A csavarodás miatt a fényhullámok a tengelynél kioltják egymást. Sík felületre vetítve az optikai örvény fénygyűrűnek tűnik, közepén sötét lyukkal. Ezt a fénydugócsavart, közepén a sötétséggel, optikai örvénynek nevezik. Az örvény egy számot kap, amelyet topológiai töltésnek neveznek , aszerint, hogy a fény hány csavarást hajt végre egy hullámhosszon. A szám mindig egész szám, és a csavarás irányától függően lehet pozitív vagy negatív. Minél nagyobb a csavarások száma, annál gyorsabban forog a fény a tengely körül.

Ez a centrifugálás keringési szögmomentumot hordoz a hullámvonattal, és nyomatékot indukál egy elektromos dipóluson . Az orbitális szögmomentum különbözik a leggyakrabban előforduló spin szögimpulzustól , amely körkörös polarizációt eredményez . A csapdába esett részecskék keringési mozgásában megfigyelhető a keringési szögű fényimpulzus. Ha egy optikai örvényt megzavarunk egy sík fényhullámmal, akkor a spirális fázis koncentrikus spirálként jelenik meg. A spirálban lévő karok száma megegyezik a topológiai töltéssel.

Az optikai örvényeket a laboratóriumban különféle módon létrehozva tanulmányozzák. Ezeket közvetlenül lézerben lehet előállítani, vagy a lézersugarat örvénybe csavarni számos módszer bármelyikével, például számítógéppel létrehozott hologramokkal, spirálfázisú késleltető szerkezetekkel vagy kettős törésű örvényekkel az anyagokban.

Tulajdonságok

Az optikai szingularitás az optikai mező nulla. A mező fázisa ezen nulla intenzitású pontok körül kering (így keletkezik az örvény név ). Az örvények a 2D mezők pontjai és a 3D mezők vonalai (mivel kettes kodimenziójuk van). A mező fázisát egy örvényt körülvevő út köré integrálva 2 π egész többszörösét kapjuk . Ezt az egész számot az örvény topológiai töltésének vagy erősségének nevezik.

A hipergeometriai-Gauss-mód (HyGG) közepén optikai örvény található. A gerenda, amelynek formája van

a Bessel -függvényből álló megoldás a paraxiális hullám -egyenletre (lásd a paraxiális közelítést és a Fourier -optikai cikket az aktuális egyenlethez ) . A hipergeometriai-Gauss-sugárban lévő fotonok keringési szöge nyomatéka mħ . Az m egész szám a sugár közepén lévő örvény erejét is adja. A körkörösen polarizált fény spin szögmomentuma átalakítható orbitális szögimpulzusmá.

Teremtés

Számos módszer létezik a hipergeometriai-Gauss-módok létrehozására , többek között spirális fázislemezzel , számítógéppel generált hologramokkal , módkonverzióval , q-lemezzel vagy térbeli fénymodulátorral.

  • A statikus spirálfázisú lemezek (SPP) spirál alakú kristály- vagy műanyagdarabok, amelyeket kifejezetten a kívánt topológiai töltéshez és a beeső hullámhosszhoz terveztek. Hatékonyak, de drágák. Állítható SPP -k készíthetők úgy, hogy éket mozgatnak egy repedt műanyagdarab két oldala között.
  • A számítógéppel létrehozott hologramok (CGH) a síkhullám és a filmre átvitt Laguerre-Gauss-sugár közötti számított interferogram . A CGH hasonlít egy közös Ronchi lineáris diffrakciós rácsra , kivéve a "villa" diszlokációt. A beeső lézersugár diffrakciós mintázatot hoz létre örvényekkel, amelyek topológiai töltése a diffrakciós sorrenddel növekszik. A nulla sorrend Gauss -féle, és az örvényeknek ellentétes helikálisuk van e töretlen nyaláb mindkét oldalán. A CGH villa villáinak száma közvetlenül kapcsolódik az első diffrakciós rend örvényének topológiai töltéséhez. A CGH lángolható, hogy nagyobb intenzitást irányítson az első rendbe. A fehérítés intenzitásrácsból fázisrácsrá alakítja át, ami növeli a hatékonyságot.
Image
A CGH által létrehozott örvények
  • Mode konverziós igényel Hermite-Gauss (HG) módok, amelyek könnyen lehet tenni belsejében a lézer üreg vagy külsőleg kevésbé pontos eszközökkel. Egy pár asztigmatikus lencse bevezeti a Gouy fáziseltolódást, amely LG sugárzást hoz létre azimutális és radiális indexekkel, a bemeneti HG függvényében.
  • A térbeli fénymodulátor egy számítógéppel vezérelt elektronikus folyadékkristályos eszköz, amely dinamikus örvényeket, örvénytömböket és más típusú nyalábokat hozhat létre különböző törésmutatójú hologram létrehozásával. Ez a hologram lehet villaminta, spirálfázisú lemez vagy hasonló minta nullától eltérő topológiai töltéssel.
  • A szegmensekből készült deformálható tükör dinamikusan (néhány kHz -es frekvenciával) örvényeket hozhat létre, még akkor is, ha nagy teljesítményű lézerek világítják meg.
  • A q-lemez egy kettős törésű folyadékkristályos lemez, amelynek azimutális eloszlása ​​a helyi optikai tengely, és amelynek topológiai töltése q a középpontjában. A q topológiai töltésű q-lemez töltőörvényt hozhat létre a bemeneti nyaláb polarizációja alapján.
  • Az s-lemez a q-lemezhez hasonló technológia, amely nagy intenzitású UV-lézert használ, hogy tartósan maratjon egy kettős törésű mintát szilikagélüvegbe , az azimutális változással a gyors tengelyen, s topológiai töltéssel. Ellentétben a q-lemezzel, amelynek hullámhosszát a folyadékkristály előfeszítési feszültségének beállításával lehet beállítani, az s-lemez csak egy fényhullám esetén működik.
  • Rádiófrekvenciákon triviális (nem optikai) elektromágneses örvény létrehozása. Egyszerűen rendezzen el egy hullámhosszú vagy nagyobb átmérőjű antennagyűrűt úgy, hogy a sugárzott antennák fáziseltolódása a gyűrű körül 2 π integrált többszörösét változtassa .

Érzékelés

Az optikai örvény, amely alapvetően fázisszerkezet, nem mutatható ki pusztán az intenzitási profiljából. Továbbá, mivel az azonos sorrendű örvénygerendák nagyjából azonos intenzitási profillal rendelkeznek, nem lehet őket kizárólag intenzitáseloszlásuk alapján jellemezni. Ennek eredményeképpen az interferometriai technikák széles skáláját alkalmazzák.

  • A technikák legegyszerűbbje, ha egy örvénysugarat ferde síkhullámmal zavarnak , ami villaszerű interferogramot eredményez. Ha számba vesszük a mintában lévő villák számát és azok relatív irányait, pontosan meg lehet becsülni az örvénysorrendet és a hozzá tartozó előjelet.
  • Az örvénynyaláb deformálódhat jellegzetes lebenyszerkezetévé, miközben egy ferde lencsén áthalad. Ez az örvény különböző fázispontjai közötti önbeavatkozás következtében következik be. Egy örvény sugár érdekében l lesz felosztva n = l + 1 lebeny, durván körül mélységélessége a megdöntött domború lencse. Ezenkívül a lebenyek tájolása (jobb és bal átló) határozza meg a pozitív és negatív orbitális szögimpulzus -sorrendeket.
  • Az örvénynyaláb lebenyszerkezetet generál, ha az ellentétes jelű örvénybe ütközik. Ez a technika azonban nem kínál mechanizmust a jelek jellemzésére. Ezt a technikát úgy lehet alkalmazni, hogy Dove -prizmát helyezünk egy Mach -Zehnder interferométer útvonalába, amelyet örvényprofillal pumpálunk.

Alkalmazások

Az optikai örvények széles körű alkalmazása a kommunikáció és a képalkotás különböző területein.

  • A Napon kívüli bolygókat csak a közelmúltban észlelték közvetlenül , mivel szülőcsillaguk olyan fényes. Előrelépés történt egy olyan optikai örvény koronagráf létrehozásában, amely közvetlenül megfigyelheti a túl alacsony kontrasztarányú bolygókat a szülőjükkel, hogy más technikákkal megfigyelhető legyen.
  • Az optikai örvényeket az optikai csipeszekben mikrométer méretű részecskék, például sejtek manipulálására használják . Az ilyen részecskéket az OAM segítségével a sugár tengelye körüli pályákon lehet forgatni . Mikromotorokat hoztak létre optikai örvénycsipeszek használatával is.
  • Az optikai örvények jelentősen javíthatják a kommunikációs sávszélességet. Például a csavart rádiósugarak növelhetik a rádió spektrális hatékonyságát az örvényállapotok nagy számának használatával. A fázis elülső „csavarodása” a pálya szögimpulzus állapotának számát jelzi, és a különböző orbitális szögimpulzusú gerendák ortogonálisak. Az ilyen orbitális szögimpulzus-alapú multiplexelés potenciálisan növelheti a milliméteres hullámú vezeték nélküli kommunikáció rendszerkapacitását és spektrális hatékonyságát.
  • Hasonlóképpen, a korai kísérleti eredmények az orbitális szögimpulzus multiplexeléshez az optikai területen rövid távokon is eredményeket mutattak, de még mindig vannak hosszabb bemutatók. A fő kihívás, amellyel ezek a demonstrációk szembesültek, az, hogy a hagyományos optikai szálak terjedésük során megváltoztatják az örvények spin szögimpulzusát, és hajlítva vagy megfeszítve megváltoztathatják a pálya szögimpulzusát. Eddig 50 méteres stabil terjedést bizonyítottak speciális optikai szálakban. Bebizonyosodott, hogy az orbitális szögimpulzus-módok szabad térben történő átvitele 143 km-es távolságban jó robusztussággal támogatja az információ kódolását.
  • A jelenlegi számítógépek két állapotú elektronokat használnak, nulla és egy. A kvantumszámítástechnika fényt használhat az információk kódolására és tárolására. Az optikai örvényeknek elméletileg végtelen számú állapota van a szabad térben, mivel a topológiai töltésnek nincs határa. Ez gyorsabb adatkezelést tesz lehetővé. A kriptográfiai közösség érdeklődik az optikai örvények iránt a fentebb tárgyalt nagyobb sávszélességű kommunikáció ígérete miatt.
  • Az optikai mikroszkópia során optikai örvényeket lehet használni a normál diffrakciós határokon túli térbeli felbontás elérésére a Stimulated Emission Depletion (STED) mikroszkópia nevű technikával . Ez a technika kihasználja a sugár közepén lévő szingularitás alacsony intenzitását, hogy a kívánt terület körüli fluorofórokat kimerítse egy nagy intenzitású optikai örvénynyalábbal anélkül, hogy a kívánt célterületen kimerítené a fluoroforokat.
  • Optikai örvények, közvetlenül is (rezonáns) átvisszük polariton folyadékok a fény és az anyag, hogy tanulmányozza a dinamika a kvantum örvények upon lineáris vagy nem lineáris kölcsönhatás rezsimek.
  • Az optikai örvények az összefonódott fotonpárok nem lokális összefüggéseiben azonosíthatók.

Lásd még

Hivatkozások

Külső linkek