Оптичні Воронки: Світло зі Зміщенням

Луч с отверстием в центре

Простой лазерный луч имеет плоские волновые фронты и яркую Гауссову точку. Луч оптического вихря выглядит совершенно иначе: темная, идеально черная точка на оси, окруженная одной или несколькими светлыми кольцами. Темнота — это не фильтр или маска — это математическая необходимость. Фаза луча скручивается на 2πℓ вокруг оси для каждого полного цикла, а в точном центре все возможные значения фазы сходятся в одну точку, что невозможно для хорошо определенной волны. Амплитуда там принудительно равна нулю, создавая фазный разрыв, проходящий через луч как глаз урагана.

Самое чистое математическое описание — это Лаггерров-Гессовский (LG) режим, решение параболического уравнения волновой частицы в цилиндрических координатах. Его поле несет явный спиральный фазовый член:

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

Орбітальний кутовий імпульс: ℓħ на фотон

У 1992 році Лес Ейлен та його колеги показали, що промінь з цим термом exp(iℓφ) несе добре визначений орбітальний кутовий імпульс (OAM) ℓħ на фотон, поряд із будь-яким спірним кутовим імпульсом, який він має. Ціле число ℓ є топологічним зарядом променя — це може бути будь-яке додатне або від'ємне ціле число, і саме це робить воронкоподібні промені фундаментально різними від звичайного поляризованого світла, спірний імпульс якого може мати лише два значення.

Как вы создаете один: спиральные пластины и разветвленные голограммы

Спиральная фазовая пластина является наиболее прямым путем: прозрачный диск, изготовленный таким образом, чтобы его толщина плавно увеличивалась вокруг оси, добавляя точно правильную дополнительную длину пути для нанесения изгиба exp(iℓφ) на плоскость волны, проходящую через нее. В лаборатории чаще используется компьютерная голограмма — дифракционная решетка с разветвленной деформацией в ее центре, отображаемая на пространственном световом модуляторе (SLM) или выгравированная на стекле. Разложение Гауссова пучка на эту разветвленность посылает различные порядки дифракции с различными, хорошо определенными значениями ℓ, позволяя одному устройству генерировать целую семью вихревых лучей просто изменяя узор, отображаемый на SLM. Третий путь — преобразователи мод цилиндрических линз, преобразуют обычную высшую ортонормированную Гауссову лазерную моду в режим LG с помощью двух наклоненных цилиндрических линз.

Измерение возвращаемой величины заряда

Ви не можете безпосередньо бачити ℓ у простому кільцевому світіло – заряд +3 і -3 виглядають однаково як пончик. Щоб виміряти його, потрібно перетнути вологотокний промінь з віссю обертання з відносною похижкою з порівняльним променем. У взаємодії з нахиленим плоским хвильовим рухом, інтерференційний патерн буде спіраллю з точно |ℓ| спиралями; у взаємодії з звичайним Гаусовим промінням, воно створює форму «рога» з кількості додаткових зубів, яка знову дорівнює |ℓ|, а напрямок обертання спіралі (або спосіб відкриття «рога») розкриває знак.

Чому будують ці пристрої

Оптичні палички, збудовані за допомогою ворончастих променів, передають їх орбітальний кутовий момент утримуваним мікроскопічним частинкам, обертаючи їх без будь-якого механічного контакту — корисно для мікророторів і для вивчення механіки клітин. Оскільки ℓ теоретично може приймати будь-яке ціле значення, одне фотон може закодувати набагато більше ніж один біт, що є основою запропонованих високопродуктивних бездротових та оптоволоконних комунікаційних зв’язків, які множать багато OAM каналів на одній довжині хвилі, а також протоколів квантового розподілу ключів вищої розмірності, які використовують стани OAM замість або разом із поляризацією.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Optical Vortex Beams і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.