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.
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 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.
Las placas o espejos de fase espiral estáticos son piezas de cristal o plástico con forma de espiral que están diseñadas específicamente para la carga topológica y la longitud de onda incidente deseadas. Son eficientes, pero costosos. Las placas de fase espiral ajustables se pueden hacer moviendo una cuña entre dos lados de una pieza de plástico agrietada. Los espejos de fase espiral fuera del eje se pueden utilizar para convertir láseres de alta potencia y ultracortos.
Los hologramas generados por computadora (CGH) son el interferograma calculado entre una onda plana y un haz de Laguerre-Gauss que se transfiere a una película. El CGH se parece a una rejilla de difracción lineal Ronchi común , salvo por una dislocación en "horquilla". Un haz 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 haz no difractado. La cantidad de puntas en la horquilla del CGH está directamente relacionada con la carga topológica del vórtice de primer orden de difracción. El CGH se puede quemar para dirigir más intensidad hacia el primer orden. El blanqueo lo transforma de una rejilla de intensidad a una rejilla de fase, lo que aumenta la eficiencia.
Vórtices creados por CGH
La conversión de modos requiere modos Hermite-Gaussianos (HG), que pueden realizarse fácilmente dentro de la cavidad láser o externamente por medios menos precisos. Un par de lentes astigmáticas introduce un cambio de fase de Gouy que crea un haz LG con índices azimutales y radiales que dependen del HG de entrada.
Un modulador de luz espacial es un dispositivo electrónico de cristal líquido controlado por computadora que puede crear vórtices dinámicos, conjuntos de vórtices y otros tipos de haces mediante la creación de un holograma con índices de refracción variables. [5] Este holograma puede ser un patrón de horquilla, una placa de fase espiral o algún patrón similar con carga topológica distinta de cero.
Un espejo deformable formado por segmentos se puede utilizar para crear vórtices de forma dinámica (con una velocidad de hasta unos pocos kHz), incluso si se ilumina con 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 un 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, cuya longitud de onda se puede ajustar ajustando el voltaje de polarización en el cristal líquido, una placa s solo funciona para una longitud de onda de luz.
En las frecuencias de radio, es trivial producir un vórtice electromagnético (no óptico). Basta con disponer un anillo de antenas de una longitud de onda o de un diámetro mayor de manera que el desplazamiento de fase de las antenas de transmisión varíe un múltiplo entero de 2 π alrededor del anillo.
Las metasuperficies nanofotónicas pueden permitir la modulación de fase transversal para crear vórtices ópticos. [6] [7] Los haces de vórtices se pueden generar en el espacio libre [8] [9] o en un chip fotónico integrado. [10] [11] [12]
Una lente espiral puede “[incorporar] los elementos necesarios para crear un vórtice óptico directamente en su superficie”. [13] La espiralización de una dioptría puede lograr multifocalidad , lo que permite, por ejemplo en aplicaciones oftálmicas , una mayor agudeza en una amplia gama de distancias focales y niveles de luz. [14]
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.
La técnica más sencilla consiste en interferir un haz de vórtices con una onda de plano inclinado , lo que da como resultado un interferograma en forma de horquilla. Al contar el número de horquillas en el patrón y sus orientaciones relativas, se puede estimar con precisión el orden de los vórtices y su signo correspondiente. [15]
Un haz de vórtice puede deformarse hasta adquirir su estructura lobulada 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 foco 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. [16]
Un haz de vórtices genera una estructura lobulada cuando 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. [15]
Aplicaciones
Existe una amplia variedad de aplicaciones de los vórtices ópticos en diversas áreas de las comunicaciones y la imagen.
Los planetas extrasolares se han detectado directamente hace poco , debido al gran brillo de su estrella madre. 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 estrella madre como para poder observarlos con otras técnicas.
Los vórtices ópticos se utilizan en pinzas ópticas para manipular partículas de tamaño micrométrico, como células. Dichas partículas pueden rotarse en órbitas alrededor del eje del haz utilizando OAM . También se han creado micromotores utilizando pinzas de vórtices ópticos.
Los vórtices ópticos pueden mejorar significativamente el ancho de banda de las comunicaciones. Por ejemplo, los haces de radio torcidos podrían aumentar la eficiencia espectral de radio al utilizar la gran cantidad de estados vorticiales. [17] [18] [19] La cantidad de "torsión" del frente de fase indica el número de estado del momento angular orbital, y los haces con diferentes momentos angulares orbitales 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. [20]
De manera similar, los primeros resultados experimentales para multiplexación de momento angular orbital en el dominio óptico han mostrado resultados en distancias cortas, [21] [22] 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 se someten a tensión. Hasta ahora se ha demostrado una propagación estable de hasta 50 metros en fibras ópticas especiales. [23] Se ha demostrado que la transmisión en espacio libre de modos de momento angular orbital de la luz a una distancia de 143 km puede soportar la codificación de información con buena robustez. [24]
Las computadoras actuales utilizan componentes electrónicos 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. [ cita requerida ] Esto podría permitir una manipulación más rápida de los datos. La comunidad criptográfica 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 utilizar para lograr una resolución espacial más allá de los límites de difracción normales utilizando una técnica llamada microscopía de agotamiento de emisión estimulada (STED) . Esta técnica aprovecha la baja intensidad en la singularidad en el centro del haz para agotar los fluoróforos alrededor de un área deseada con un haz de vórtice óptico de alta intensidad sin agotar los fluoróforos en el área objetivo deseada. [25]
Los vórtices ópticos también pueden transferirse directamente (resonantemente) a fluidos polaritones de luz y materia para estudiar la dinámica de los vórtices cuánticos en regímenes de interacción lineal o no lineal. [26]
Los vórtices ópticos se pueden identificar en las correlaciones no locales de pares de fotones entrelazados. [27]
^ 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.
^ 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.
^ 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.
^ 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.
^ 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.
^ 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.
^ 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.
^ 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 .
^ 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.
^ 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.
^ 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 .
^ 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.
^ "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.
^ 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 .
^ ab Gbur, Greg (2015). "Óptica singular". La enciclopedia de óptica . Wiley. págs. 1–23. doi :10.1002/9783527600441.oe1011. ISBN9783527600441.
^ 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.
^ Los rayos de radio retorcidos podrían desenredar las ondas de radio
^ Utilización del momento angular orbital de los fotones en el dominio de radio de baja frecuencia
^ Codificación de muchos canales en la misma frecuencia mediante vorticidad de radio: primera prueba experimental
^ 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.
^ "'Luz retorcida' transporta 2,5 terabits de datos por segundo". BBC News . 2012-06-25 . Consultado el 2012-06-25 .
^ 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.
^ 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.
^ 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.
^ 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.
^ 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.
^ 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.
Enlaces externos
Vídeo de simulación de propagación del elemento óptico difractivo Vortex desde el campo cercano al campo lejano mediante Holo/Or
Vórtices ópticos y pinzas ópticas en la Universidad de Glasgow
Lista de maestros de Singular Optics de 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 'retorcida' contiene más información en un fotón, según artículo de New Scientist».
"Rayos de luz en modos de orden superior".
"Cifrado de luz retorcida".
"Física retorcida: los científicos crean nudos de luz". Fox News . 18 de enero de 2010.
