Strumienie opticzne z wirunkiem: światło z obrótkiem

Strumień optyczny z dziurą w centrum

Standardowy strumień laserowy ma płaskie powierzchnie falowe i jasną, gęstą punktę Gaussa. Strumień optyczny z wirunkiem wygląda całkowicie inaczej: ciemna, idealnie czarna punktka na osi, otoczona jednym lub większą liczbą pasków jasnych. Ciemność nie jest filtrami ani maską — to matematyczne konieczności. Faza strumienia obwraca się wokół osi o 2πℓ dla każdego pełnego obrotu, a dokładnie w centrum zbiegają się wszystkie możliwe wartości fazy na jedno miejsce, co jest niemożliwe dla dobrze zdefiniowanej fal. Amplituda jest zmuszona do zerowania się tam, pozostawiając punkt singularności fazowej przewodzący przez strumień jak oko huragany.

Najprostszym matematycznym opisem jest tryb Laguerre-Gauss (LG), rozwiązanie równania falowego paraksyjalnego w kołowych współrzędnych. Jej pole zawiera jasny termin fazowy helikoidalny:

E(r, φ, z) ∝ r^|ℓ| · exp(-r²/w²) · exp(i·ℓ·φ) · exp(i·k·z)
                                    ↑
                       azimuthal phase — winds ℓ times around the axis

Orbitalny moment obrotowy: ℓħ na foton

W 1992 roku Les Allen i kolejni pokazali, że strumień o tym wyrażeniu exp(iℓφ) przekazuje określony orbitalny moment obrotowy (OAM) równy ℓħ na foton, ponadto do tego, co spin angularny chwilowy jego polaryzacja może przekazywać. Całkowite liczebne ℓ to topologiczny ładunek strumienia — może być dowolnym dodatnim lub ujemnym całym liczbem naturalnym, a to jest czym wyróżniają się strumienie wirunkowe na podstawie polaryzacji światła zwykłego, której spin zawsze przyjmuje tylko dwie wartości.

Jak je tworzyć: płyty spiralne i hologramy z odstępem

Płycha fazowa spiralna jest najprostszym ścieżką: przezroczysty dysk machinowany tak, aby jego grubość rosnęła spokojnie wokół osi, dodając dokładnie odpowiedni dodatkowy dystans drogowy do naciskania na exp(iℓφ) obrot na falę płaską przechodzącą przez nią. Więcej zazwyczaj spotykane w laboratorium jest hologramem komputerowym — gratingem diffrakcyjnym z odstępem w kształcie forka na jego centrum, wyświetlonym na modulatorze światła przestrzennego (SLM) lub wyrytym w szklu. Diffrakcja gazu Gaussa od forka wysyła różne rzędy diffrakcyjne z różnymi, dobrze zdefiniowanymi wartościami ℓ, co pozwala jednej maszynie generować całą rodzinę strumieni wirujących tylko zmieniając wzór wyświetlany na SLM. Trzecia ścieżka, konvertery trybu cylindrycznych lensek, przekształca tryb laserowy Hermite-Gauss o wyższej rzędzie w tryb LG za pomocą dwóch niesymetrycznych lensek cylindrycznych.

Czytanie ładunku

Nie możesz zobaczyć ℓ bezpośrednio na prostym pęczku intensywności — ładunek +3 i -3 wyglądają identycznie jak doughnut. Aby zmierzyć go, interferujesz strumień wirunkowy z falą odniesienia. Wobec fal wychylonej powierzchni otrzymujesz wzór spiralny z dokładnie |ℓ| ramion; wobec zwykłego puchu Gaussa uzyskujesz wzór podwójny, którego liczba dodatkowych gałęzi ponownie równa się |ℓ|. Kierunek obracania spirali (lub sposób otwierania podwójnego wzoru) ukazuje znak.

Dlaczego kogóż buduje te strumienie

Strumienie optyczne z wirunkiem tworzone z pól wirujących przekształcają ich chwilowy moment obrotowy na trwale zatrzymane mikroskopijne cząsteczki, obracając je bez jakiejkolwiek mechanicznej kontakty — przydatne do mikrorotorów i do badania mechanicznych właściwości komórek. Ponieważ ℓ może w teorii przyjąć dowolną wartość całkowitą, pojedynczy foton może kodować znacznie więcej niż jedno bit, co stanowi podstawę propozycji wysokocapacytowych systemów komunikacyjnych bezprzewodowych i z fiibre, które multiplexują wiele kanałów OAM na tym samym długowaveli, oraz protokołów rozdzielania kluczy kwantowych o wysokiej wielowymiarowości, które używają stanów OAM zamiast nich lub w dodatku do polaryzacji.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Optical Vortex Beams i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.