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Vórtice óptico

Diagrama de diferentes modos, cuatro de los cuales son vórtices ópticos. Las columnas muestran las estructuras helicoidales, el frente de fase y la intensidad de los haces.

Un vórtice óptico (también conocido como vórtice cuántico fotónico , dislocación helicoidal o singularidad de fase ) es un cero de un campo óptico ; un punto de intensidad cero . El término también se utiliza para describir un haz de luz que tiene dicho cero. El estudio de estos fenómenos se conoce como óptica singular .

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 cancelan entre sí. Cuando se proyecta sobre una superficie plana, un vórtice óptico parece un anillo de luz, con un agujero oscuro en el centro. Al vórtice se le asigna un número, llamado carga topológica , según la cantidad de vueltas que da la luz en una longitud de onda. El número siempre es un número entero y puede ser positivo o negativo, dependiendo de la dirección de la torsión. Cuanto mayor sea el número de la torsión, más rápido gira la luz alrededor del eje.

Este giro lleva 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 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 maneras. Se pueden generar directamente con un láser [2] [3] o se puede convertir un haz láser en un vórtice utilizando cualquiera de varios métodos, como hologramas generados por computadora, estructuras de retardo de fase en espiral o vórtices birrefringentes en materiales.

Propiedades

Un haz de Laguerre-Gauss es un vórtice óptico con una singularidad lineal a lo largo del eje del haz.

Una singularidad óptica es un cero de un campo óptico. La fase del 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). Integrando la fase del campo alrededor de un camino que encierra un vórtice se obtiene un múltiplo entero de 2 π . Este entero se conoce como la carga topológica, o fuerza, del vórtice.

Un modo hipergeométrico-gaussiano (HyGG) tiene un vórtice óptico en su centro. El haz, 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 . El entero m también da la fuerza del vórtice en el centro del haz. El momento angular de espín de la luz polarizada circularmente se puede convertir en momento angular orbital. [4]

Creación

Existen varios métodos para crear modos hipergeométricos-gaussianos , entre ellos, una placa de fase espiral, hologramas generados por computadora , conversión de modos, una placa q o un modulador de luz espacial.

Vórtices creados por CGH

Detección

Un vórtice óptico, al ser fundamentalmente una estructura de fase, no puede detectarse únicamente a partir de su perfil de intensidad. Además, como los haces de vórtices 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.

Un patrón de interferencia de un haz de vórtice con una onda de plano inclinado da como resultado un interferograma en forma de horquilla.

Aplicaciones

Existe una amplia variedad de aplicaciones de los vórtices ópticos en diversas áreas de las comunicaciones y la imagen.

Véase también

Referencias

  1. ^ Allen, L.; Beijersbergen, MW; Spreeuw, RJC; Woerdman, JP (1992). "Momento angular orbital de la luz y la transformación de los modos láser de Laguerre-Gauss". Phys. Rev. A . 45 (11): 8185–8189. Bibcode :1992PhRvA..45.8185A. doi :10.1103/PhysRevA.45.8185. PMID  9906912.
  2. ^ White, AG; Smith, CP; Heckenberg, NR; Rubinsztein-Dunlop, H; McDuff, R; Weiss, CO; Tamm, C (1991). "Medidas interferométricas de singularidades de fase en la salida de un láser visible". Journal of Modern Optics . 38 (12): 2531–2541. Bibcode :1991JMOp...38.2531W. doi :10.1080/09500349114552651.
  3. ^ Naidoo, Darryl; et al. (2016). "Generación controlada de haces de esferas de Poincaré de orden superior a partir de un láser". Nature Photonics . 10 (5): 327–332. arXiv : 1505.02256 . Código Bibliográfico :2016NaPho..10..327N. doi :10.1038/nphoton.2016.37. S2CID  7737430.
  4. ^ Marrucci, L.; Manzo, C; Paparo, D (2006). "Conversión de momento angular de espín óptico a orbital en medios anisotrópicos no homogéneos". Physical Review Letters . 96 (16): 163905. arXiv : 0712.0099 . Bibcode :2006PhRvL..96p3905M. doi :10.1103/PhysRevLett.96.163905. PMID  16712234. S2CID  15600569.
  5. ^ Heckenberg, NR; McDuff, R; Smith, CP; White, AG (1992). "Generación de singularidades de fase óptica mediante hologramas generados por computadora" (PDF) . Optics Letters . 17 (3): 221–223. Bibcode :1992OptL...17..221H. doi :10.1364/OL.17.000221. PMID  19784282.
  6. ^ Devlin, Robert C.; Ambrosio, Antonio; Rubin, Noah A.; Mueller, JP Balthasar; Capasso, Federico (17 de noviembre de 2017). "Conversión arbitraria del momento angular de espín a orbital de la luz". Science . 358 (6365): 896–901. doi : 10.1126/science.aao5392 . ISSN  0036-8075.
  7. ^ Meng, Yuan; Liu, Zhoutian; Xie, Zhenwei; Wang, paseo; Qi, Tiancheng; Hu, Futai; Kim, Hyunseok; Xiao, Qirong; Fu, Xing; Wu, Qiang; Bae, Sang-Hoon; Gongo, Malí; Yuan, Xiaocong (1 de abril de 2020). "Acoplamiento y (des)multiplexación de luz en chip versátil desde polarizaciones arbitrarias hasta modos de guía de ondas controlados utilizando una metasuperficie dieléctrica integrada" . Investigación en fotónica . 8 (4): 564. doi :10.1364/PRJ.384449. ISSN  2327-9125.
  8. ^ Ren, Haoran; Briére, Gauthier; Colmillo, Xinyuan; Ni, Peiñán; Sawant, Rajath; Héron, Sébastien; Chenot, Sébastien; Vézian, Stéphane; Damilano, Benjamín; Brandli, Virginia; Maier, Stefan A.; Genevet, Patrice (19 de julio de 2019). "Holografía del momento angular orbital de la metasuperficie". Comunicaciones de la naturaleza . 10 (1): 2986. doi : 10.1038/s41467-019-11030-1 . ISSN  2041-1723. PMC 6642184 . 
  9. ^ Yu, Nanfang; Genevet, Patrice; Kats, Mikhail A.; Aieta, Francesco; Tetienne, Jean-Philippe; Capasso, Federico; Gaburro, Zeno (21 de octubre de 2011). "Propagación de la luz con discontinuidades de fase: leyes generalizadas de reflexión y refracción". Science . 334 (6054): 333–337. doi : 10.1126/science.1210713 . ISSN  0036-8075.
  10. ^ Guo, Xuexue; Ding, Yimin; Chen, Xi; Duan, Yao; Ni, Xingjie (17 de julio de 2020). "Moldeo de luz en el espacio libre con metasuperficies guiadas impulsadas por ondas". Science Advances . 6 (29): eabb4142. doi :10.1126/sciadv.abb4142. ISSN  2375-2548. PMC 7439608 . PMID  32832643. 
  11. ^ Meng, Yuan; Chen, Yizhen; Lu, Longhui; Ding, Yimin; Cusano, Andrea; Fanático, Jonathan A.; Hu, Qiaomu; Wang, Kaiyuan; Xie, Zhenwei; Liu, Zhoutian; Yang, Yuanmu; Liu, Qiang; Gongo, Malí; Xiao, Qirong; Sol, Shulin (22 de noviembre de 2021). "Metaguías de ondas ópticas para fotónica integrada y más". Luz: ciencia y aplicaciones . 10 (1): 235. doi : 10.1038/s41377-021-00655-x . ISSN  2047-7538. PMC 8608813 . 
  12. ^ Cai, Xinlun; Wang, Jianwei; Strain, Michael J.; Johnson-Morris, Benjamin; Zhu, Jiangbo; Sorel, Marc; O'Brien, Jeremy L.; Thompson, Mark G.; Yu, Siyuan (19 de octubre de 2012). "Emisores de haz de vórtice óptico compactos integrados" (PDF) . Science . 338 (6105): 363–366. doi :10.1126/science.1226528. ISSN  0036-8075.
  13. ^ "La lente en forma de espiral proporciona una visión clara a una variedad de distancias y condiciones de iluminación". phys.org . 8 de febrero de 2024.
  14. ^ Galinier, Laurent; Renaud-Goud, Philippe; Brusau, Jean; Kergadallan, Lucien; Augereau, Jean; Simon, Bertrand (febrero de 2024). "Dioptría en espiral: lentes de forma libre con comportamiento multifocal mejorado". Óptica . 11 (2): 238–244. doi : 10.1364/OPTICA.507066 . ISSN  2334-2536 . Consultado el 11 de febrero de 2024 .
  15. ^ ab Gbur, Greg (2015). "Óptica singular". La enciclopedia de óptica . Wiley. págs. 1–23. doi :10.1002/9783527600441.oe1011. ISBN 9783527600441.
  16. ^ Vaity, Pravin; Banerji, J.; Singh, RP (2013). "Medición de la carga topológica de un vórtice óptico mediante el uso de una lente convexa inclinada". Physics Letters A . 377 (15): 1154–1156. Bibcode :2013PhLA..377.1154V. doi :10.1016/j.physleta.2013.02.030. ISSN  0375-9601.
  17. ^ Los rayos de radio retorcidos podrían desenredar las ondas de radio
  18. ^ Utilización del momento angular orbital de los fotones en el dominio de radio de baja frecuencia
  19. ^ Codificación de muchos canales en la misma frecuencia mediante vorticidad de radio: primera prueba experimental
  20. ^ Yan, Yan (16 de septiembre de 2014). "Comunicaciones de ondas milimétricas de alta capacidad con multiplexación del momento angular orbital". Nature Communications . 5 : 4876. Bibcode :2014NatCo...5.4876Y. doi :10.1038/ncomms5876. PMC 4175588 . PMID  25224763. 
  21. ^ "'Luz retorcida' transporta 2,5 terabits de datos por segundo". BBC News . 2012-06-25 . Consultado el 2012-06-25 .
  22. ^ Bozinovic, Nenad (junio de 2013). "Multiplexación por división de modos de momento angular orbital a escala de terabits en fibras". Science . 340 (6140): 1545–1548. Bibcode :2013Sci...340.1545B. doi :10.1126/science.1237861. PMID  23812709. S2CID  206548907.
  23. ^ Gregg, Patrick (enero de 2015). "Conservación del momento angular orbital en fibras ópticas con núcleo de aire". Optica . 2 (3): 267–270. arXiv : 1412.1397 . Bibcode :2015Optic...2..267G. doi :10.1364/optica.2.000267. S2CID  119238835.
  24. ^ Krenn, M; et al. (2016). "Transmisión de luz retorcida a lo largo de 143 kilómetros". PNAS . 113 (48): 13648–13653. arXiv : 1606.01811 . Bibcode :2016PNAS..11313648K. doi : 10.1073/pnas.1612023113 . PMC 5137742 . PMID  27856744. 
  25. ^ Yan, Lu (septiembre de 2015). "La placa Q permitió una conversión de momento angular orbital espectralmente diversa para la microscopía de agotamiento de emisión estimulada" (PDF) . Optica . 2 (10): 900–903. Bibcode :2015Optic...2..900Y. doi : 10.1364/optica.2.000900 . S2CID  52238379.
  26. ^ Dominici, L; Dagvadorj, G; Fellows, JM; et al. (2015). "Dinámica de vórtices y semivórtices en un fluido cuántico de espinor no lineal". Science Advances . 1 (11): e1500807. arXiv : 1403.0487 . Bibcode :2015SciA....1E0807D. doi :10.1126/sciadv.1500807. PMC 4672757 . PMID  26665174. 
  27. ^ Gomes, RM; Salles, A.; Toscano, F.; Souto Ribeiro, PH (16 de julio de 2009). "Observación de un vórtice óptico no local". Phys. Rev. Lett . 103 (3): 033602. arXiv : 0902.1659 . Bibcode :2009PhRvL.103c3602G. doi :10.1103/PhysRevLett.103.033602. PMID  19659278.

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