Optik girdap - Optical vortex

Dördü optik girdap olan farklı modların diyagramı. Kolonlar, kirişlerin sarmal yapılarını, faz önünü ve yoğunluğunu gösterir.

Bir optik girdap ( fotonik kuantum girdabı , vida dislokasyonu veya faz tekilliği olarak da bilinir ) optik alanın sıfırıdır ; sıfır yoğunluk noktası . Terim aynı zamanda içinde sıfır olan bir ışık huzmesini tanımlamak için de kullanılır. Bu fenomenlerin incelenmesi tekil optik olarak bilinir .

Açıklama

Optik bir girdapta ışık, hareket ekseni etrafında bir tirbuşon gibi bükülür. Bükülme nedeniyle eksendeki ışık dalgaları birbirini iptal eder. Düz bir yüzeye yansıtıldığında, optik bir girdap, merkezinde karanlık bir delik bulunan bir ışık halkasına benziyor. Merkezinde karanlık olan bu ışık tirbuşonuna optik girdap denir. Girdaba, ışığın bir dalga boyunda kaç tane bükülme yaptığına göre topolojik yük adı verilen bir sayı verilir . Sayı her zaman bir tamsayıdır ve bükümün yönüne bağlı olarak pozitif veya negatif olabilir. Büküm sayısı ne kadar yüksek olursa, ışık eksen etrafında o kadar hızlı döner.

Bu dönme , dalga dizisi ile yörünge açısal momentumu taşır ve bir elektrik dipol üzerinde torku indükleyecektir . Yörünge açısal momentumu, dairesel polarizasyon üreten daha yaygın olarak karşılaşılan dönüş açısal momentumundan farklıdır . Yakalanan parçacıkların yörünge hareketinde ışığın yörünge açısal momentumu gözlemlenebilir. Düzlemsel bir ışık dalgasıyla optik bir girdaba müdahale etmek , spiral fazı eşmerkezli spiraller olarak ortaya çıkarır. Spiraldeki kolların sayısı topolojik yüke eşittir.

Optik girdaplar laboratuvar ortamında çeşitli şekillerde oluşturularak çalışılmaktadır. Doğrudan bir lazerde üretilebilirler veya bir lazer ışını, bilgisayar tarafından oluşturulan hologramlar, spiral fazlı gecikme yapıları veya malzemelerdeki çift kırılmalı girdaplar gibi çeşitli yöntemlerden herhangi biri kullanılarak girdap şeklinde bükülebilir.

Özellikler

Optik tekillik, optik alanın sıfırıdır. Alandaki faz, bu sıfır yoğunluk noktalarının etrafında dolaşır ( girdap adının ortaya çıkmasına neden olur ). Girdaplar, 2B alanlardaki noktalar ve 3B alanlardaki çizgilerdir (ikinci boyuta sahip oldukları için). Alanın fazını bir girdap çevreleyen bir yol etrafında entegre etmek, 2 π tamsayısını verir . Bu tam sayı, girdabın topolojik yükü veya gücü olarak bilinir.

Bir hipergeometrik Gauss mod (HyGG), merkezinde, bir optik girdap vardır. Forma sahip olan kiriş

Bessel fonksiyonundan oluşan paraaksiyel dalga denkleminin bir çözümüdür ( eksenel yaklaşıma ve gerçek denklem için Fourier optik makalesine bakın ) . Hipergeometrik-Gauss demetindeki fotonların yörünge açısal momentumu mħ'dir . m tamsayısı , kirişin merkezindeki girdabın gücünü de verir. Spin açısal momentum dairesel polarize ışığın yörünge açısal momentumu dönüştürülebilir.

oluşturma

Spiral faz plakası , bilgisayar tarafından oluşturulan hologramlar , mod dönüştürme, bir q-plakası veya bir uzaysal ışık modülatörü dahil olmak üzere hipergeometrik-Gauss modları oluşturmak için çeşitli yöntemler mevcuttur .

  • Statik spiral faz plakaları (SPP'ler), özel olarak istenen topolojik yüke ve gelen dalga boyuna göre tasarlanmış spiral şekilli kristal veya plastik parçalardır. Verimlidirler, ancak pahalıdırlar. Ayarlanabilir SPP'ler, çatlamış bir plastik parçasının iki tarafı arasında bir kama hareket ettirilerek yapılabilir.
  • Bilgisayar tarafından oluşturulan hologramlar (CGH'ler), bir düzlem dalga ile filme aktarılan bir Laguerre-Gauss ışını arasındaki hesaplanmış interferogramdır . CGH, ortak bir Ronchi lineer kırınım ızgarasını andırır , bir "çatal" çıkığı kurtarır. Bir lazer ışını, topolojik yükü kırınım sırası ile artan girdaplarla bir kırınım deseni oluşturur. Sıfır mertebesi Gauss'tur ve girdaplar bu kırılmamış ışının her iki tarafında zıt sarmallığa sahiptir. CGH çatalındaki çatalların sayısı, birinci kırınım dereceli girdabın topolojik yükü ile doğrudan ilişkilidir. CGH, daha fazla yoğunluğu birinci sıraya yönlendirmek için alevlendirilebilir . Ağartma, onu bir yoğunluk ızgarasından bir faz ızgarasına dönüştürür ve bu da verimliliği artırır.
CGH tarafından oluşturulan girdaplar
  • Mod dönüştürme , lazer boşluğunun içinde veya daha az hassas yollarla harici olarak kolayca yapılabilen Hermite-Gauss (HG) modlarını gerektirir . Bir çift astigmatik lens , HG girişine bağlı olarak azimut ve radyal indekslere sahip bir LG ışını oluşturan bir Gouy faz kayması sunar .
  • Bir uzaysal ışık modülatörü , değişen kırılma indislerinden oluşan bir hologram oluşturarak dinamik girdaplar, girdap dizileri ve diğer ışın türleri oluşturabilen, bilgisayar kontrollü elektronik sıvı kristal bir cihazdır. Bu hologram bir çatal modeli, bir spiral faz plakası veya sıfır olmayan topolojik yüke sahip benzer bir model olabilir.
  • Segmentlerden oluşan deforme olabilir ayna , yüksek güçlü lazerlerle aydınlatılsa bile dinamik olarak (birkaç kHz'e kadar bir oranda) girdaplar oluşturmak için kullanılabilir.
  • Bir q-plakası , merkez kusurunda q topolojik yükü olan yerel optik eksenin azimut dağılımına sahip çift ​​kırılımlı bir sıvı kristal plakadır . Topolojik yükü q olan q-plakası , giriş ışını polarizasyonuna dayalı olarak bir yük girdabı oluşturabilir .
  • Bir s-plakası, s topolojik yükü ile hızlı eksende bir azimut varyasyonu ile silika cama çift ​​kırılmalı bir deseni kalıcı olarak aşındırmak için yüksek yoğunluklu bir UV lazer kullanan bir q-plakasına benzer bir teknolojidir . Sıvı kristal üzerindeki önyargı voltajı ayarlanarak dalga boyu ayarlanabilen bir q-plakasının aksine, bir s-plakası yalnızca bir dalga boyu ışık için çalışır.
  • Radyo frekanslarında (optik olmayan) bir elektromanyetik girdap oluşturmak önemsizdir. Basitçe, yayın antenlerinin faz kayması , halka etrafında 2 π'nin tam katını değiştirecek şekilde bir dalga boyu veya daha büyük çaplı anten halkasını düzenleyin .

Tespit etme

Temelde bir faz yapısı olan bir optik girdap, yalnızca yoğunluk profilinden tespit edilemez. Ayrıca, aynı mertebeden girdap demetleri kabaca aynı yoğunluk profillerine sahip olduklarından, sadece yoğunluk dağılımlarından karakterize edilemezler. Sonuç olarak, çok çeşitli interferometrik teknikler kullanılmaktadır.

  • Tekniklerin en basiti, çatal benzeri bir interferogram ile sonuçlanan bir eğik düzlem dalga ile bir girdap ışınına müdahale etmektir . Modeldeki çatalların sayısını ve bunların göreli yönelimlerini sayarak, girdap sırası ve buna karşılık gelen işaret kesin olarak tahmin edilebilir.
  • Bir girdap ışını, eğimli bir mercekten geçerken karakteristik lob yapısına deforme olabilir. Bu, bir girdaptaki farklı faz noktaları arasındaki kendi kendine girişimin bir sonucu olarak gerçekleşir. l dereceli bir girdap ışını , kabaca eğimli bir dışbükey merceğin odak derinliği etrafında n = l + 1 loblara bölünecektir . Ayrıca, lobların yönelimi (sağ ve sol diyagonal), pozitif ve negatif yörünge açısal momentum sıralarını belirler.
  • Bir girdap ışını, zıt işaretli bir girdap ile müdahale edildiğinde bir lob yapısı oluşturur. Ancak bu teknik, işaretleri karakterize etmek için hiçbir mekanizma sunmaz. Bu teknik, bir girdap profili ile pompalanan bir Mach-Zehnder interferometresinin yollarından birine bir Dove prizması yerleştirilerek kullanılabilir .

Uygulamalar

Optik girdapların çeşitli iletişim ve görüntüleme alanlarında çok çeşitli uygulamaları vardır.

  • Güneş dışı gezegenler , ana yıldızları çok parlak olduğu için ancak son zamanlarda doğrudan tespit edildi . Diğer tekniklerle gözlemlenemeyecek kadar düşük kontrast oranına sahip gezegenleri doğrudan gözlemlemek için bir optik girdap koronagrafı oluşturmada ilerleme kaydedilmiştir .
  • Optik girdaplar, hücreler gibi mikrometre boyutundaki parçacıkları işlemek için optik cımbızlarda kullanılır . Bu tür parçacıklar, OAM kullanılarak ışın ekseni etrafındaki yörüngelerde döndürülebilir . Optik girdap cımbızları kullanılarak mikro motorlar da oluşturulmuştur.
  • Optik girdaplar, iletişim bant genişliğini önemli ölçüde artırabilir. Örneğin, bükülmüş radyo ışınları , çok sayıda girdap durumu kullanarak radyo spektral verimini artırabilir . Faz ön 'bükülme' miktarı, yörünge açısal momentum durum numarasını gösterir ve farklı yörünge açısal momentuma sahip kirişler ortogonaldir. Bu tür yörüngesel açısal momentum tabanlı çoğullama , milimetre dalga kablosuz iletişimin sistem kapasitesini ve spektral verimliliğini potansiyel olarak artırabilir.
  • Benzer şekilde, optik alanda yörünge açısal momentum çoğullaması için erken deneysel sonuçlar, kısa mesafelerde sonuçlar göstermiştir, ancak daha uzun mesafe gösterileri hala yakındadır. Bu gösterilerin karşılaştığı ana zorluk, geleneksel optik fiberlerin , girdaplar yayılırken dönüş açısal momentumunu değiştirmesi ve büküldüğünde veya gerildiğinde yörünge açısal momentumunu değiştirebilmesidir. Özel optik fiberlerde şimdiye kadar 50 metreye kadar kararlı yayılım kanıtlanmıştır. 143 km'lik bir mesafe boyunca ışığın yörüngesel açısal momentum modlarının serbest uzay iletiminin, bilgilerin iyi bir sağlamlıkla kodlanmasını destekleyebildiği gösterilmiştir.
  • Mevcut bilgisayarlar, sıfır ve bir olmak üzere iki duruma sahip elektronları kullanır. Kuantum hesaplama , bilgileri kodlamak ve depolamak için ışığı kullanabilir. Optik girdaplar teorik olarak, topolojik yük için bir sınır olmadığı için, boş uzayda sonsuz sayıda duruma sahiptir. Bu, daha hızlı veri işlemeye izin verebilir. Kriptografi topluluğu da yukarıda ele yüksek bant genişliği iletişim vaadi için optik girdaplar ilgilenen edilir.
  • Optik mikroskopide, Uyarılmış Emisyon Tüketimi (STED) Mikroskobu adı verilen bir teknik kullanılarak normal kırınım sınırlarının ötesinde uzaysal çözünürlük elde etmek için optik girdaplar kullanılabilir . Bu teknik , istenen hedef alandaki floroforları tüketmeden yüksek yoğunluklu bir optik girdap ışını ile istenen bir alan etrafındaki floroforları tüketmek için ışının merkezindeki tekillikteki düşük yoğunluktan yararlanır .
  • Optik girdaplar, doğrusal veya doğrusal olmayan etkileşim rejimleri üzerindeki kuantum girdapların dinamiklerini incelemek için doğrudan (rezonansla) ışık ve maddenin polariton sıvılarına aktarılabilir .
  • Dolaşmış foton çiftlerinin yerel olmayan bağıntılarında optik girdaplar tanımlanabilir.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar