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 las vigas.
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 utiliza para describir un haz de luz que tiene ese cero. El estudio de estos fenómenos se conoce como óptica singular .
Explicación
En un vórtice óptico, la luz gira como un sacacorchos alrededor de su eje de viaje. 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. Al vórtice se le asigna un número, llamado carga topológica , según cuántas vueltas realiza la luz en una longitud de onda. El número es siempre un número entero y puede ser positivo o negativo, dependiendo de la dirección del giro. Cuanto mayor es el número de giros, más rápido gira la luz alrededor del eje.
Este giro transmite 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. La interferencia de un vórtice óptico con una onda plana de luz revela la fase espiral como espirales concéntricas. El número de brazos de la espiral es igual a la carga topológica.
Los vórtices ópticos se estudian creándolos en el laboratorio de diversas formas. Se pueden generar directamente en un láser, [2] [3] o un rayo láser se puede torcer en un vórtice utilizando cualquiera de varios métodos, como hologramas generados por computadora, estructuras de retardo de fase espiral o vórtices birrefringentes en materiales.
Propiedades
Un haz de Laguerre-Gauss es un vórtice óptico con una singularidad de línea a lo largo del eje del haz.
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 un camino que encierra un vórtice produce un múltiplo entero de 2 π . Este número entero se conoce como 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 número entero m también indica 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 espiral, hologramas generados por computadora , conversión de modo, una placa q o un modulador de luz espacial.
Las placas o espejos de fase espiral estática son piezas de cristal o plástico en forma de espiral que están diseñadas específicamente para la carga topológica y la longitud de onda incidente deseadas. Son eficientes, pero caros. Se pueden fabricar placas de fase en espiral ajustables moviendo una cuña entre dos lados de una pieza de plástico agrietada. Los espejos de fase en 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-Gaussiano que se transfiere a una película. El CGH se parece a una rejilla de difracción lineal de Ronchi común , salvo una dislocación en forma de "bifurcación". 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 helicidades opuestas a ambos lados de este haz no difractado. El número de puntas en la horquilla CGH está directamente relacionado con la carga topológica del vórtice de primer orden de difracción. Se puede utilizar el CGH 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.
Vórtices creados por CGH
La conversión de modo requiere modos Hermite-Gaussianos (HG), que pueden realizarse fácilmente dentro de la cavidad del láser o externamente mediante medios menos precisos. Un par de lentes astigmáticas introduce un cambio de fase de Gouy que crea un haz LG con índices acimutales y radiales que dependen de la entrada HG.
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 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 están iluminados 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 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, que puede sintonizarse en longitud de onda ajustando el voltaje de polarización en el cristal líquido, una placa s solo funciona para una longitud de onda de luz.
En radiofrecuencias es trivial producir un vórtice electromagnético (no óptico). Simplemente disponga un anillo de antenas de una longitud de onda o de un diámetro mayor de modo que el desplazamiento de fase de las antenas de transmisión varíe un múltiplo integral 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 vórtice 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 formar 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 por 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 plana inclinada da como resultado un interferograma en forma de horquilla
La más sencilla de las técnicas consiste en 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 de los vórtices y su signo correspondiente. [15]
Un haz de vórtice se puede deformar hasta adquirir su característica estructura de lóbulo mientras pasa 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. [dieciséis]
Un haz de vórtice genera una estructura de lóbulo 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. [15]
Aplicaciones
Existe una amplia variedad de aplicaciones de vórtices ópticos en diversas áreas de las comunicaciones y la imagen.
Sólo recientemente se han detectado directamente planetas extrasolares , debido a que su estrella madre es muy brillante. Se han logrado avances en la creación de un coronógrafo óptico de vórtice para observar directamente planetas con una relación de contraste demasiado baja con respecto a sus padres 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 pueden girar en órbitas alrededor del eje del haz utilizando OAM . También se han creado micromotores utilizando pinzas de vórtice óptico.
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 utilizando una gran cantidad de estados vórtices. [17] [18] [19] 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. Esta 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 la multiplexación del momento angular orbital en el dominio óptico han mostrado resultados en distancias cortas, [21] [22] pero aún están por llegar 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 estresan. Hasta ahora se ha demostrado una propagación estable de hasta 50 metros en fibras ópticas especiales. [23] Se ha demostrado que la transmisión en el espacio libre de modos de luz con momento angular orbital a una distancia de 143 km puede soportar la codificación de información con buena robustez. [24]
Las computadoras actuales utilizan electrónica que tiene dos estados, cero y uno. La computación cuántica podría utilizar la luz para codificar y almacenar información. En teoría, los vórtices ópticos tienen un número infinito de estados en el espacio libre, ya que no hay límite para la carga topológica. [ cita necesaria ] Esto podría permitir una manipulación de datos más rápida. La comunidad de criptografía también está interesada en los vórtices ópticos debido a la promesa de comunicación de mayor ancho de banda mencionada 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 emisiones estimuladas (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 se pueden transferir directamente (resonantemente) a fluidos de luz y materia de polaritones para estudiar la dinámica de los vórtices cuánticos en regímenes de interacción lineales o no lineales. [26]
Los vórtices ópticos se pueden identificar en las correlaciones no locales de pares de fotones entrelazados. [27]
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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 maestra 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 .
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"Haces de luz en modos de orden superior".
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