Un vórtice óptico (también conocido como vórtice cuántico fotónico , dislocación de tornillo o singularidad de fase ) es un cero de un campo óptico ; un punto de intensidad cero . El término también se usa para describir un rayo de luz que tiene un cero. El estudio de estos fenómenos se conoce como óptica singular .
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Explicación
En un vórtice óptico, la luz se retuerce como un sacacorchos alrededor de su eje de desplazamiento. Debido a la torsión, las ondas de luz en el propio eje se anulan entre sí. Cuando se proyecta sobre una superficie plana, un vórtice óptico parece un anillo de luz, con un agujero oscuro en el centro. Este sacacorchos de luz, con oscuridad en el centro, se llama vórtice óptico. Al vórtice se le asigna un número, llamado carga topológica , de acuerdo con la cantidad de giros que hace la luz en una longitud de onda. El número es siempre un número entero y puede ser positivo o negativo, según la dirección del giro. Cuanto mayor sea el número de giro, más rápido girará la luz alrededor del eje.
Este giro transporta un momento angular orbital con el tren de ondas e inducirá un par en un dipolo eléctrico . El momento angular orbital es distinto del momento angular de espín más común , que produce polarización circular . [1] El momento angular orbital de la luz se puede observar en el movimiento orbital de las partículas atrapadas. Interferir un vórtice óptico con una onda plana de luz revela la fase espiral como espirales concéntricas. El número de brazos en la espiral es igual a la carga topológica.
Los vórtices ópticos se estudian creándolos en el laboratorio de diversas formas. Pueden generarse directamente en un láser, [2] [3] o un rayo láser puede torcerse en vórtice usando cualquiera de varios métodos, como hologramas generados por computadora, estructuras de retardo de fase espiral o vórtices birrefringentes en materiales.
Propiedades
Una singularidad óptica es un cero de un campo óptico. La fase en el campo circula alrededor de estos puntos de intensidad cero (dando lugar al nombre de vórtice ). Los vórtices son puntos en campos 2D y líneas en campos 3D (ya que tienen codimensión dos). La integración de la fase del campo alrededor de una ruta que encierra un vórtice produce un múltiplo entero de 2 π . Este número entero se conoce como carga topológica, o fuerza, del vórtice.
Un modo hipergeométrico-gaussiano (HyGG) tiene un vórtice óptico en su centro. La viga, que tiene la forma
es una solución a la ecuación de onda paraxial (ver aproximación paraxial , y el artículo de óptica de Fourier para la ecuación real ) que consiste en la función de Bessel . Los fotones en un haz hipergeométrico-gaussiano tienen un momento angular orbital de mħ . El entero m también da la fuerza del vórtice en el centro del haz. El momento angular de giro de la luz polarizada circularmente se puede convertir en momento angular orbital. [4]
Creación
Existen varios métodos para crear modos hipergeométricos-gaussianos , incluso con una placa de fase en espiral , hologramas generados por computadora , conversión de modo, una placa q o un modulador de luz espacial.
- Las placas de fase en espiral estática (SPP) son piezas de cristal o plástico en forma de espiral que están diseñadas específicamente para la carga topológica deseada y la longitud de onda incidente. Son eficientes, pero costosos. Los SPP ajustables se pueden hacer moviendo una cuña entre dos lados de una pieza de plástico agrietada.
- Los hologramas generados por computadora (CGH) son el interferograma calculado entre una onda plana y un rayo Laguerre-Gaussiano que se transfiere a la película. El CGH se asemeja a una rejilla de difracción lineal común de Ronchi , salvo una dislocación de "horquilla". Un rayo láser incidente crea un patrón de difracción con vórtices cuya carga topológica aumenta con el orden de difracción. El orden cero es gaussiano y los vórtices tienen helicidad opuesta a cada lado de este rayo no difractado. El número de puntas en la bifurcación CGH está directamente relacionado con la carga topológica del primer vórtice de orden de difracción. El CGH puede encenderse para dirigir más intensidad al primer orden. El blanqueo lo transforma de una rejilla de intensidad a una rejilla de fase, lo que aumenta la eficiencia.
- La conversión de modo requiere modos Hermite-Gaussiano (HG), que se pueden realizar fácilmente dentro de la cavidad del láser o externamente por medios menos precisos. Un par de lentes astigmáticas introduce un cambio de fase Gouy que crea un haz LG con índices azimutales y radiales que dependen de la entrada HG.
- Un modulador de luz espacial es un dispositivo de cristal líquido electrónico controlado por computadora que puede crear vórtices dinámicos, matrices de vórtices y otros tipos de haces mediante la creación de un holograma de índices de refracción variables. [5] Este holograma puede ser un patrón de horquilla, una placa de fase en espiral o algún patrón similar con carga topológica distinta de cero.
- El espejo deformable hecho de segmentos se puede utilizar para crear dinámicamente (con una velocidad de hasta unos pocos kHz) vórtices, incluso si está iluminado por láseres de alta potencia.
- Una placa q es una placa de cristal líquido birrefringente con una distribución azimutal del eje óptico local, que tiene una carga topológica q en su defecto central. La placa q con carga topológica q puede generar una vórtice de carga basado en la polarización del haz de entrada.
- Una placa s es una tecnología similar a una placa q, que utiliza un láser UV de alta intensidad para grabar permanentemente un patrón birrefringente en vidrio de sílice con una variación azimutal en el eje rápido con carga topológica de s. A diferencia de una placa q, que se puede ajustar en longitud de onda ajustando el voltaje de polarización en el cristal líquido, una placa en S solo funciona para una longitud de onda de luz.
- En las radiofrecuencias es trivial producir un vórtice electromagnético (no óptico). Simplemente coloque un anillo de antenas de una longitud de onda o de mayor diámetro de modo que el desplazamiento de fase de las antenas de transmisión varíe un múltiplo integral de 2 π alrededor del anillo.
Detección
Un vórtice óptico, que es fundamentalmente una estructura de fase, no se puede detectar solo a partir de su perfil de intensidad. Además, como los haces de vórtice del mismo orden tienen perfiles de intensidad aproximadamente idénticos, no pueden caracterizarse únicamente a partir de sus distribuciones de intensidad. Como resultado, se emplea una amplia gama de técnicas interferométricas.
- La técnica más simple es interferir un haz de vórtice con una onda plana inclinada , lo que da como resultado un interferograma en forma de horquilla. Al contar el número de bifurcaciones en el patrón y sus orientaciones relativas, se puede estimar con precisión el orden del vórtice y su signo correspondiente. [6]
- Un rayo de vórtice se puede deformar en su estructura de lóbulo característica al pasar a través de una lente inclinada. Esto sucede como resultado de una autointerferencia entre diferentes puntos de fase en un vórtice. Un haz de vórtice de orden l se dividirá en n = l + 1 lóbulos, aproximadamente alrededor de la profundidad de enfoque de una lente convexa inclinada. Además, la orientación de los lóbulos (diagonal derecha e izquierda), determina los órdenes de momento angular orbital positivo y negativo. [7]
- Un haz de vórtice genera una estructura de lóbulos cuando se interfiere con un vórtice de signo opuesto. Sin embargo, esta técnica no ofrece ningún mecanismo para caracterizar los signos. Esta técnica se puede emplear colocando un prisma Dove en una de las trayectorias de un interferómetro Mach-Zehnder , bombeado con un perfil de vórtice. [6]
Aplicaciones
Existe una amplia variedad de aplicaciones de vórtices ópticos en diversas áreas de comunicaciones e imágenes.
- Los planetas extrasolares solo se han detectado directamente recientemente , ya que su estrella madre es muy brillante. Se ha avanzado en la creación de un coronógrafo de vórtice óptico para observar directamente planetas con una relación de contraste demasiado baja con respecto a su padre como para poder observarlos con otras técnicas.
- Los vórtices ópticos se utilizan en pinzas ópticas para manipular partículas de tamaño micrométrico, como las células. Estas partículas se pueden rotar en órbitas alrededor del eje del haz usando OAM . También se han creado micromotores utilizando pinzas de vórtice óptico.
- Los vórtices ópticos pueden mejorar significativamente el ancho de banda de comunicación. Por ejemplo, los haces de radio trenzados podrían aumentar la eficiencia del espectro radioeléctrico mediante el uso de un gran número de estados vorticales. [8] [9] [10] La cantidad de 'torsión' del frente de fase indica el número de estado del momento angular orbital, y los haces con diferente momento angular orbital son ortogonales. Tal multiplexación basada en el momento angular orbital puede aumentar potencialmente la capacidad del sistema y la eficiencia espectral de la comunicación inalámbrica de ondas milimétricas. [11]
- De manera similar, los primeros resultados experimentales para la multiplexación del momento angular orbital en el dominio óptico han mostrado resultados en distancias cortas, [12] [13] pero aún se esperan demostraciones a distancias más largas. El principal desafío al que se han enfrentado estas demostraciones es que las fibras ópticas convencionales cambian el momento angular de giro de los vórtices a medida que se propagan, y pueden cambiar el momento angular orbital cuando se doblan o estresan. Hasta ahora, se ha demostrado una propagación estable de hasta 50 metros en fibras ópticas especiales. [14] Se ha demostrado que la transmisión en el espacio libre de modos de luz de momento angular orbital a una distancia de 143 km puede soportar la codificación de información con buena solidez. [15]
- Las computadoras actuales usan electrones que tienen dos estados, cero y uno. La computación cuántica podría utilizar la luz para codificar y almacenar información. Los vórtices ópticos teóricamente tienen un número infinito de estados en el espacio libre, ya que no hay límite para la carga topológica. Esto podría permitir una manipulación de datos más rápida. La comunidad de la criptografía también está interesada en los vórtices ópticos por la promesa de una comunicación de mayor ancho de banda discutida anteriormente.
- En microscopía óptica, los vórtices ópticos se pueden usar para lograr una resolución espacial más allá de los límites de difracción normales usando una técnica llamada Microscopía de Reducción de Emisiones Estimuladas (STED) . Esta técnica aprovecha la baja intensidad en la singularidad en el centro del rayo para agotar los fluoróforos alrededor de un área deseada con un rayo de vórtice óptico de alta intensidad sin agotar los fluoróforos en el área objetivo deseada. [dieciséis]
- Los vórtices ópticos también se pueden transferir directamente (de manera resonante) a fluidos polaritónicos de luz y materia para estudiar la dinámica de los vórtices cuánticos en regímenes de interacción lineales o no lineales. [17]
- Los vórtices ópticos se pueden identificar en las correlaciones no locales de pares de fotones entrelazados. [18]
Ver también
- Momento angular orbital de la luz
Referencias
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enlaces externos
- Video de simulación de propagación del elemento óptico difractivo de vórtice de campo cercano a campo lejano por Holo / Or
- Vórtices ópticos y pinzas ópticas en la Universidad de Glasgow
- Lista de Maestros de Óptica Singular por Grover Swartzlander Jr., Universidad de Arizona, Tucson
- Coronógrafo de vórtice óptico , Gregory Foo, et al., Universidad de Arizona, Tucson
- Pinzas ópticas , David Grier, NYU
- Publicaciones seleccionadas sobre vórtices ópticos en la Universidad Nacional de Australia
- "Todo jodido: artículo de Scientific American " . Archivado desde el original el 15 de octubre de 2007 . Consultado el 22 de agosto de 2007 .
- " La luz ' Twisting' empaqueta más información en un fotón: artículo de New Scientist" .
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