Оптикалық бұрама құбылысы

Кіріспе

Оптикалық құбылыс

Оптикалық шұңқыр (фотондық кванттық шұңқыр, бұрандалы бұрылыс немесе фазалық сингулярлық деп те аталады) – оптикалық өрістің нөлдік нүктесі; интенсивтілігі нөлге тең нүкте. Бұл термин сондай-ақ, мұндай нөлдік нүктесі бар жарық сәулесін сипаттау үшін де қолданылады. Осы құбылыстарды зерттеу саласы сингулярлы оптика деп аталады.

Түсіндірме

Оптикалық айналымда жарық өзінің қозғалыс осінің бойымен бұралады, бұдыраңдай. Бұл бұралудың нәтижесінде, жарық толқындары өстің өзінде бір-бірін жояды. Жазық бетке проекцияланғанда, оптикалық айналым ортасында қараңғы тесігі бар жарық сақинасы сияқты көрінеді. Айналымға топологиялық заряд деп аталатын сан беріледі, ол жарық бір толқын ұзындығында қанша рет бұрылатынына байланысты анықталады. Бұл сан әрқашан толық сан болады және бұрылу бағытына қарай оң немесе теріс болуы мүмкін. Бұрылу саны неғұрлым жоғары болса, жарық өстің айналасында соғұрлым жылдам айналады. Бұл айналу толқынмен бірге орбиталық бұрыштық импульсті алып жүреді және электр диполінде серпімді моментті тудырады. Орбиталық бұрыштық импульс, дөңгелек поляризацияны тудыратын, көбірек таралған спиндік бұрыштық импульстен өзгеше. Жарықтың орбиталық бұрыштық импульсін тұтқынға алынған бөлшектердің орбиталық қозғалысында байқауға болады. Оптикалық айналымды жарық толқынының жазық толқынымен келістіру спиральдық фазаны концентрлі спиральдар түрінде көрсетеді. Спиральдегі қарулардың саны топологиялық зарядқа тең. Оптикалық шұңқырлар зертханада әртүрлі тәсілдермен жасалып зерттеледі. Оларды лазерде тікелей жасауға болады, немесе лазер сәулесін компьютерлік голограммалар, спиральді фазалық кешіктіру құрылымдары немесе материалдағы екі сынулы құрылымдар сияқты әдістердің кез келгенін қолданып айналдыруға болады.

Қасиеттері

Оптикалық сингулярлық – оптикалық өрістің нөлдік нүктесі. Өрістегі фаза нөлдік интенсивтіліктегі осы нүктелердің айналасында айналады (содан вортекс атауы пайда болады). Вортекстер – 2D өрістердегі нүктелер және 3D өрістердегі сызықтар (олардың кодименсиясы екіге тең). Вортекс қоршаған тұйықталған контур бойындағы өрістің фазасын интегралдау 2-нің бүтін еселігін береді. Бұл бүтін сан топологиялық заряд немесе вортекстің күші деп аталады. Гипергеометриялық Гаусс режимі (HyGG) өзінің ортасында оптикалық вортекске ие. Сәуле, мына формада:

параксиалды толқын теңдеуінің (параксиалды жуықтау және нақты теңдеу үшін Фурье оптикасы мақаласын қараңыз) Бессел функциясынан тұратын шешімі болып табылады. Гипергеометриялық Гаусс сәулесіндегі фотондардың орбиталық бұрыштық импульсі mħ-қа тең. m бүтін саны сәуленің ортасындағы вортекстің күшін де көрсетеді. Дөңгелек поляризацияланған жарықтың спиндік бұрыштық импульсі орбиталық бұрыштық импульске айналуы мүмкін.

Жасау

Гипергеометриялық Гаусс режимдерін жасау үшін бірнеше әдіс бар, оның ішінде спиральді фазалық пластина, компьютерлік генерацияланған голограммалар, режимді түрлендіру, q пластинасы немесе кеңістіктік жарық модуляторлары. Статикалық спиральді фазалық пластиналар немесе айналар – қажетті топологиялық заряд пен түсетін толқын ұзындығына сәйкес жасалған кристал немесе пластик бөліктері. Олар тиімді, бірақ қымбат. Реттелетін спиральді фазалық пластиналарды пластик бөлігінің екі жағының арасына клинді жылжыту арқылы жасауға болады. Оқтан тыс спиральді фазалық айналарды жоғары қуатты және өте қысқа лазерлердің режимін өзгерту үшін қолдануға болады. Компьютерлік генерацияланған голограммалар (КГГ) – жазық толқын мен Лагер Гаусс шоғы арасындағы есептелген интерферограмма, ол пленкаға көшіріледі. КГГ жалпы Ронши сызықтық дифракциялық торға ұқсайды, бірақ "түйін" дислокациясынан басқа. Түсетін лазер шоғы дифракциялық үлгілерді жасайды, олардың топологиялық заряды дифракциялық ретімен артады. Бірінші рет Гаусс, ал бұрыштар осы бұзылмаған шоқтың екі жағында қарама-қарсы спиральділікке ие. КГГ-дегі тіректердің саны бірінші дифракциялық реттегі бұрыштың топологиялық зарядымен тікелей байланысты. КГГ-ні бірінші ретке көбірек интенсивтілік жіберу үшін жағып қоюға болады. Ағарту оны интенсивтілік торынан фазалық торға айналдырады, бұл тиімділікті арттырады. Режимді түрлендіруге Гермит Гаусс (HG) режимдері қажет, оларды лазер қуысының ішінде немесе сыртында, аздап дәлдікпен жасауға болады. Астигматикалық линзалар жұбы Гуи фазалық ығысуын енгізеді, бұл кіріс HG-ге байланысты азимуталдық және радиалдық индекстері бар LG шоғын жасайды. Кеңістіктік жарық модулятор – компьютерлік басқарумен электрондық сұйық кристалды құрылғы, ол әртүрлі сындыру көрсеткіштері бар голограмма жасау арқылы динамикалық бұрыштарды, бұрыштар массивін және басқа да шоқ түрлерін жасауға мүмкіндік береді. Бұл голограмма бұрыштық үлгі, спиральді фазалық пластина немесе нөлдік емес топологиялық зарядты ұқсас үлгі болуы мүмкін. Сегменттерден жасалған деформацияланатын айнаны, тіпті жоғары қуатты лазерлермен жарықтандырылса да, динамикалық түрде (бірнеше кГц жылдамдықпен) бұрыштар жасауға болады. Q пластинасы – жергілікті оптикалық осьтің азимуталдық таралуы бар екі сынықты сұйық кристалды пластина, оның ортасында q топологиялық заряды бар. q топологиялық заряды бар q пластинасы кіріс шоғының поляризациясына байланысты зарядталған бұрышты жасайды. S пластинасы – q пластинасына ұқсас технология, кремний шынысына жоғары интенсивтілік ультракөк сәулемен тұрақты түрде екі сынықты үлгі салады, оның азимуталдық өзгеруі s топологиялық зарядына ие. Q пластинасынан айырмашылығы, сұйық кристалдың кернеуін реттеу арқылы толқын ұзындығын реттеуге болатын q пластинасы, s пластинасы тек жарықтың бір толқын ұзындығы үшін жұмыс істейді. Радиожиіліктерде (оптикалық емес) электромагниттік бұрышты жасау оңай. Бір толқын ұзындығынан асатын диаметрлі антенналар сақинасын орналастырыңыз, сонда тарату антенналарының фазалық ығысуы сақинаның айналасында 2-нің толық еселігімен өзгереді. Нанофотондық метажүздер оптикалық бұрыштар жасау үшін көлденең фазалық модуляцияны жүзеге асыруға мүмкіндік береді. Бұрыштық шоқтар бос кеңістікте немесе интеграцияланған фотоникалық чипте жасалуы мүмкін. Спиральді линзалар оптикалық бұрышты тікелей бетіне енгізуге қажетті элементтерді [қоса алады]. Диоптрияны спиральдеу көпфокалдылыққа қол жеткізеді, мысалы, офтальмологиялық қолданбаларда кең фокустық қашықтықтар мен жарық деңгейлерінде өткірлікті арттыруға мүмкіндік береді.

Several methods exist to create hypergeometric Gaussian modes, including with a spiral phase plate, computer generated holograms, mode conversion, a q plate, or a spatial light modulator. Static spiral phase plate(s) or mirror(s) are spiral shaped pieces of crystal or plastic that are engineered specifically to the desired topological charge and incident wavelength. They are efficient, yet expensive. Adjustable spiral phase plates can be made by moving a wedge between two sides of a cracked piece of plastic. Off axis spiral phase mirrors can be used to mode convert high power and ultra short lasers. Computer generated holograms (CGHs) are the calculated interferogram between a plane wave and a Laguerre Gaussian beam which is transferred to film. The CGH resembles a common Ronchi linear diffraction grating, save a "fork" dislocation. An incident laser beam creates a diffraction pattern with vortices whose topological charge increases with diffraction order. The zero order is Gaussian, and the vortices have opposite helicity on either side of this undiffracted beam. The number of prongs in the CGH fork is directly related to the topological charge of the first diffraction order vortex. The CGH can be blazed to direct more intensity into the first order. Bleaching transforms it from an intensity grating to a phase grating, which increases efficiency. Mode conversion requires Hermite Gaussian (HG) modes, which can easily be made inside the laser cavity or externally by less accurate means. A pair of astigmatic lenses introduces a Gouy phase shift which creates an LG beam with azimuthal and radial indices dependent upon the input HG. A spatial light modulator is a computer controlled electronic liquid crystal device which can create dynamic vortices, arrays of vortices, and other types of beams by creating a hologram of varying refractive indices. This hologram may be a fork pattern, a spiral phase plate, or some similar pattern with non zero topological charge. Deformable mirror made of segments can be used to dynamically (with a rate of up to a few kHz) create vortices, even if illuminated by high power lasers. A q plate is a birefringent liquid crystal plate with an azimuthal distribution of the local optical axis, which has a topological charge q at its center defect. The q plate with topological charge q can generate a charge vortex based on the input beam polarization. An s plate is a similar technology to a q plate, using a high intensity UV laser to permanently etch a birefringent pattern into silica glass with an azimuthal variation in the fast axis with topological charge of s. Unlike a q plate, which may be wavelength tuned by adjusting the bias voltage on the liquid crystal, an s plate only works for one wavelength of light. At radio frequencies it is trivial to produce a (non optical) electromagnetic vortex. Simply arrange a one wavelength or greater diameter ring of antennas such that the phase shift of the broadcast antennas varies an integral multiple of 2 around the ring. Nanophotonic metasurfaces can enable transverse phase modulation to create optical vortices. The vortex beams can be generated in either free space or on an integrated photonic chip. A spiral lens can “[incorporate] the elements necessary to make an optical vortex directly into its surface.” Spiralizing a diopter can achieve multifocality, allowing—for instance in ophthalmic applications—increased acuity over a wide range of focal distances and light levels.

Анықтау

Оптикалық шұңқыр, негізінен фазалық құрылым болатындықтан, оның интенсивтілік профилі ғана арқылы анықтаылмайды. Сонымен қатар, бірдей реттік бұрқасын сәулелерінің интенсивтілік профильдері шамамен бірдей болғандықтан, оларды тек интенсивтілік үлестірімі бойынша сипаттау мүмкін емес. Осы себепті, кең ауқымды интерферометриялық әдістер қолданылады. Ең қарапайым әдіс – бұрқасын сәулені көлбеу жазықтық толқынымен араластыру, нәтижесінде шанышқы тәрізді интерферограмма пайда болады. Үлгідегі шанышқылардың санын және олардың өзара орналасуын есептеу арқылы шұңқырдың ретін және оған сәйкес белгісін дәл бағалауға болады. Бұрқасын сәуле көлбеу линза арқылы өтетін кезде өзінің ерекше жапырақша тәрізді құрылымын қалыптастыра алады. Бұл, бұрқасын ішіндегі әртүрлі фазалық нүктелердің өзара әрекеттесуі нәтижесінде болады. l-ретті бұрқасын сәулесі 1=n = l + 1 жапырақшаға бөлінеді, бұл көлбеу иілген линзаның фокус тереңдігіне жуық болады. Жапырақшалардың бағыты (оң және сол диагональ) оң және теріс орбиталық бұрыштық импульстің ретін анықтайды. Бұрқасын сәулесі кері белгілі бұрқасынмен араласқанда жапырақша құрылымын тудырады. Алайда, бұл әдіс белгілерді анықтауға мүмкіндік бермейді. Бұл әдіс Мах-Цендер интерферометрінің бір жолына, бұрқасын профилімен сорғыланатын Dove призмасын орналастыру арқылы қолданылуы мүмкін. Фазалық фронттың бұрылу шамасы орбиталық бұрыштық импульстің күйін көрсетеді, ал әртүрлі орбиталық бұрыштық импульске ие сәулелер өзара перпендикуляр болады. Мұндай орбиталық бұрыштық импульске негізделген мультиплекстеу миллиметрлік толқынды сымсыз байланыстың жүйелік сыйымдылығы мен спектрлік тиімділігін арттыруға мүмкіндік береді. Оптикалық домендегі орбиталық бұрыштық импульсті мультиплекстеудің алғашқы тәжірибелік нәтижелері қысқа қашықтықта жақсы нәтижелер көрсеткен, бірақ ұзақ қашықтықтағы демонстрациялар әлі күтілуде. Бұл демонстрациялардың басты қиындығы – дәстүрлі оптикалық талшықтар бұрқасынның спиндік бұрыштық импульсін өзгертеді, ал иіліп немесе қысымға ұшырағанда орбиталық бұрыштық импульсін өзгерте алады. Қазірге дейін, арнайы оптикалық талшықтарда 50 метрге дейін тұрақты таралу көрсетілген. 143 км қашықтықта жарықтың орбиталық бұрыштық импульстік режимдерінің еркін кеңістікте таралуы жақсы беріктігі бар ақпаратты кодтауға қабілетті екені дәлелденді. Қазіргі компьютерлерде нөл және бір екі күйі бар электрондық құрылғылар қолданылады. Кванттық есептеулер ақпаратты кодтау және сақтау үшін жарықты пайдалануы мүмкін. Теориялық тұрғыдан алғанда, оптикалық шұңқырлар бос кеңістікте шексіз күйлерге ие, себебі топологиялық зарядтың шегі жоқ. Бұл деректерді жылдам өңдеуге мүмкіндік береді. Криптографиялық қауымдастық жоғары өткізу қабілетті байланыс мүмкіндігіне байланысты оптикалық шұңқырларға да қызығушылық танытады. Оптикалық микроскопияда оптикалық шұңқырлар стимуляциялық эмиссиялық кему (STED) микроскопиясы сияқты әдіс арқылы қалыпты дифракциялық шектерден асып түсетін кеңістіктік ажыратымдылыққа қол жеткізу үшін қолданылуы мүмкін. Бұл әдіс сәуле ортасындағы сингулярлық нүктедегі төмен интенсивтілікті пайдаланып, қажетті мақсатты аймақтағы флюорофорларды сарқытпай, жоғары интенсивті оптикалық шұңқыр сәулесімен қажетті аймақтың айналасындағы флюорофорларды кетіруге мүмкіндік береді. Оптикалық шұңқырлар сондай-ақ, сызықтық немесе сызықтық емес өзара әрекеттесу режимдеріндегі кванттық шұңқырлардың динамикасын зерттеу үшін жарық пен материяның поляритондық сұйықтықтарына тікелей (резонансты) берілуі мүмкін. Оптикалық шұңқырлар түйіскен фотондар жұптарының жергілікті емес корреляцияларында анықталуы мүмкін.

An optical vortex, being fundamentally a phase structure, cannot be detected from its intensity profile alone. Furthermore, as vortex beams of the same order have roughly identical intensity profiles, they cannot be solely characterized from their intensity distributions. As a result, a wide range of interferometric techniques are employed. The simplest of the techniques is to interfere a vortex beam with an inclined plane wave, which results in a fork like interferogram. By making a count of the number of forks in the pattern and their relative orientations, the vortex order and its corresponding sign can be precisely estimated. A vortex beam can be deformed into its characteristic lobe structure while passing through a tilted lens. This happens as a result of a self interference between different phase points in a vortex. A vortex beam of order l will be split into 1=n = l + 1 lobes, roughly around the depth of focus of a tilted convex lens. Furthermore, the orientation of lobes (right and left diagonal), determine the positive and negative orbital angular momentum orders. A vortex beam generates a lobe structure when interfered with a vortex of opposite sign. This technique offers no mechanism to characterize the signs, however. This technique can be employed by placing a Dove prism in one of the paths of a Mach–Zehnder interferometer, pumped with a vortex profile. The amount of phase front ‘twisting’ indicates the orbital angular momentum state number, and beams with different orbital angular momentum are orthogonal. Such orbital angular momentum based multiplexing can potentially increase the system capacity and spectral efficiency of millimetre wave wireless communication. Similarly, early experimental results for orbital angular momentum multiplexing in the optical domain have shown results over short distances, but longer distance demonstrations are still forthcoming. The main challenge that these demonstrations have faced is that conventional optical fibers change the spin angular momentum of vortices as they propagate, and may change the orbital angular momentum when bent or stressed. So far stable propagation of up to 50 meters has been demonstrated in specialty optical fibers. Free space transmission of orbital angular momentum modes of light over a distance of 143 km has been demonstrated to be able to support encoding of information with good robustness. Current computers use electronics that have two states, zero and one. Quantum computing could use light to encode and store information. Optical vortices theoretically have an infinite number of states in free space, as there is no limit to the topological charge. This could allow for faster data manipulation. The cryptography community is also interested in optical vortices for the promise of higher bandwidth communication discussed above. In optical microscopy, optical vortices may be used to achieve spatial resolution beyond normal diffraction limits using a technique called Stimulated Emission Depletion (STED) Microscopy. This technique takes advantage of the low intensity at the singularity in the center of the beam to deplete the fluorophores around a desired area with a high intensity optical vortex beam without depleting fluorophores in the desired target area. Optical vortices can be also directly (resonantly) transferred into polariton fluids of light and matter to study the dynamics of quantum vortices upon linear or nonlinear interaction regimes. Optical vortices can be identified in the non local correlations of entangled photon pairs.