Vortex optic

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Rotiri optice create cu holograme generate de computer

Un vortex optic (numit și luxația șurubului sau singularitatea fazei) este un fenomen fizic al propagării luminii , care provine dintr-o singularitate de fază a câmpului optic, adică din existența punctelor de intensitate zero ale câmpului optic. Vorbim despre un vortex optic , mai corect, atunci când punctele de intensitate zero ale câmpului constituie o linie care rulează în aceeași direcție ca axa fasciculului de lumină.

Cercetările privind proprietățile vârtejurilor s-au dezvoltat după un amplu articol publicat de John Nye și Michael Berry în 1974 [1] , în care au fost descrise proprietățile de bază ale „trenurilor de unde deplasate”. Cercetările care au urmat au devenit nucleul a ceea ce este cunoscut sub numele de „optică singulară”.

Sunt studiate tehnici care permit generarea și utilizarea vârtejelor chiar și în regiunile inferioare ale spectrului electromagnetic , cum ar fi frecvențele utilizate pentru transmisiile fără fir . În acest caz, vârtejurile electromagnetice de radiofrecvență sunt generate prin antene cu configurații geometrice particulare sau prin acționarea matricelor de antene.

Explicaţie

Lumina poate fi făcută să se rotească ca un tirbușon de-a lungul axei de propagare. Datorită acestei rotații, undele luminoase de pe axă se anulează reciproc. Când este proiectat pe o suprafață plană, un vortex optic apare ca un inel de lumină, cu o regiune circulară întunecată în centru. Acest model de propagare, de formă elicoidală cu o zonă întunecată în centru, se numește „vortex optic”.

Un număr este atribuit vortexului, numit sarcină topologică , în funcție de numărul de răsuciri pe care le efectuează în spațiul unei lungimi de undă . Este întotdeauna un număr întreg și poate fi pozitiv și negativ, în funcție de direcția înșurubării. Cu cât numărul de răsuciri este mai mare, cu atât lumina se învârte mai repede în jurul axei. Spinul transportă impulsul unghiular orbital cu trenul de undă și induce un moment mecanic pe un dipol electric .

Acest moment orbital unghiular de lumină poate fi observat în mișcarea orbitală a particulelor limitate. Interferența unui vortex optic cu o undă luminoasă plană dezvăluie faza spiralei ca spirale concentrice: numărul de ramuri ale spiralei este egal cu sarcina topologică .

În scopuri de studiu, vârtejurile optice pot fi create în laborator în diferite moduri. Acestea pot fi generate direct într-un laser [2] sau pot fi obținute prin rotirea unui fascicul laser într-un vortex folosind o hologramă "bifurcație" generată de un program pe un computer [3] Holograma poate fi utilizată într-un modulator spațial lumină , un tip special de afișaj cu cristale lichide controlat de computer sau într-o rețea de difracție pe o suprafață de film sau sticlă.

Proprietate

O singularitate este un zero al câmpului optic. Faza din câmp are un rotor definit în jurul punctelor de intensitate zero, ceea ce dă naștere denumirii de vortex . Turneele sunt puncte într-o reprezentare ca un câmp bidimensional și linii în câmpuri tridimensionale (deoarece au codimensiunea 2). Integrarea fazei pe o cale care cuprinde un vortex are ca rezultat un multiplu întreg de . Acest număr întreg este cunoscut sub numele de sarcină topologică sau intensitate a vortexului.

Un mod hipergeometric Gaussian (HyGG) are un vortex optic în centrul său. Grinda are forma

și este o soluție a ecuației undei paraxiale constând dintr-o funcție Bessel . Într-un fascicul gaussian hipergeometric, fotonii au un moment unghiular orbital mix . Numărul întreg m dă, de asemenea, intensitatea vortexului din centrul fasciculului. Momentul unghiular de spin al luminii polarizate circular poate fi transformat în moment unghiular orbital [4] .

Aplicații

Imagine directă a exoplanetelor din jurul stelei HR 8799 , obținută cu un coronograf vortex pe o porțiune de 1,5 m a telescopului Hale

Astronomia și astrofizica

Studiile privind utilizarea vortexurilor optice au deschis calea către tehnici promițătoare de detectare în domeniile astronomiei și astrofizicii .

Rezoluție sporită a instrumentelor optice

Una dintre lucrările teoretice și experimentale a vizat creșterea rezoluției optice prin depășirea limitelor datorate difracției [5] . Studiul a dat o vorticitate optică luminii albe necoerente provenite din surse simulate, măsurând o creștere a rezoluției egală cu un ordin de mărime (de 10 ori) comparativ cu limita stabilită de criteriul Rayleigh , la costul unei creșteri ( mai puțin decât proporțional) din timpii de expunere [5] . Creșterea este egală cu 50 de ori în cazul luminii coerente produse de sursele laser [5] . Pentru a obține rezultatele, sarcina topologică a vârtejurilor optice trebuie să fie egală cu 1 [5] .

Observarea directă a exoplanetelor

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Exoplanete și metode pentru detectarea exoplanetelor .

A fost demonstrată posibilitatea utilizării tehnicii de detectare directă a exoplanetelor , depășind dificultățile puse de strălucirea puternică a stelei principale. Progresul realizat a făcut posibilă crearea unui coronograf cu vortex optic pentru a observa direct planete care, în comparație cu steaua părinte, aveau un contrast prea mic pentru a fi observate cu alte tehnici.

Detectarea găurilor negre rotative

În 2010, o colaborare între Universitatea din Uppsala , Universitatea din Padova , Universitatea Macquarie și Instituto de Ciencias Fotónicas din Barcelona , a descoperit un nou fenomen în relativitatea generală care permite identificarea găurilor negre rotative prin analiza impulsului unghiular. structura vortexurilor optice ale radiației provenite de pe discul de acumulare în apropierea acestor găuri negre . Rezultatele au fost publicate în Nature Physics . [6]

Fotonica

Turburile optice sunt utilizate în pensete optice pentru a manipula obiecte la scară micrometrică, cum ar fi celulele. Vârtejurile optice permit extinderea flexibilității pensetelor prin adăugarea, la capacitatea respingătoare și atractivă, și a posibilității de rotire a obiectelor pe orbită în jurul axei fasciculului folosind impulsul unghiular orbital . Micromotoarele au fost create și cu aceste tehnici.

Calcul cuantic

Calculatoarele folosesc electroni care pot avea două stări, zero și una. Calculatoarele cuantice ar putea folosi lumina pentru a codifica și stoca informații. Turburile optice, în teorie, au un număr infinit de stări, deoarece nu există nicio limită a încărcăturii lor topologice . Acest lucru ar putea permite o prelucrare mai rapidă a datelor. Subiectul este, de asemenea, de interes pentru criptografie , deoarece vârtejurile pot fi folosite pentru a comunica cu o lățime de bandă mai mare . Cu toate acestea, acest lucru va necesita dezvoltări ulterioare în domeniul fibrelor optice , deoarece fibrele optice actuale (2012) modifică înfășurarea vârtejurilor optice atunci când sunt îndoite sau supuse tensiunii mecanice.

Comunicații fără fir, radio și TV

Studiile efectuate în colaborare între Universitatea din Uppsala și Universitatea din Padova investighează posibilitatea utilizării vortexurilor în fasciculele de unde radio pentru a crește eficiența spectrală folosind numărul mare de stări de vortex [7] . Există lucrări experimentale privind multiplexarea momentului unghiular orbital în domeniul opticii [8] . O „demonstrație spectaculoasă” [9] a posibilității de creștere a eficienței transmiterii datelor în domeniul frecvenței radio a fost dată într-o situație reală, în afara laboratoarelor, în scenariul Veneției și al lagunei sale , pe 442 metri din întinderea de apă care separă Insula San Giorgio Maggiore de Palazzo Ducale , în Piazza San Marco , într-un eveniment public de comunicare științifică , în maniera lui Guglielmo Marconi [9] . În experimentul public, numit Valuri pe valuri , desfășurat pe 24 iunie 2011 în fața a 2000 de persoane, au fost utilizate microunde la frecvența de 2,4 GigaHertz, în banda utilizată pentru comunicațiile fără fir [9] . Fazele experimentului au fost însoțite și descrise de un spectacol de lumină și sunet, ale cărui efecte au fost proiectate pe fațada Palatului Dogilor [9] [10] .

Medicină și biologie

Lucrările privind îmbunătățirea rezoluției instrumentelor optice pot avea repercusiuni pozitive, precum și în observarea astronomică , de asemenea, în îmbunătățirea performanței în microscopie : în domeniu există deja tehnici, cum ar fi microscopia STED ( Stimulated Emission Depletion Microscope ) care permit creșteri ale rezoluție, dar îmbunătățirea potențială datorată utilizării vortexurilor optice pare să promită rezultate mult mai bune [5] .

Notă

  1. ^ JF Nye și MV Berry, Dislocations in wave trains ( PDF ) [ link rupt ] , în Proceedings of the Royal Society of London, Seria A , vol. 336, nr. 1605, 1974, p. 165, DOI : 10.1098 / rspa.1974.0012 . Adus la 28 noiembrie 2006 .
  2. ^ AG White, Smith, CP; Heckenberg, NR; Rubinsztein-Dunlop, H; McDuff, R; Weiss, CO; Tamm, C, Măsurători interferometrice ale singularităților de fază în ieșirea unui laser vizibil , în Journal of Modern Optics , vol. 38, nr. 12, 1991, pp. 2531-2541, Bibcode : 1991JMOp ... 38.2531W , DOI : 10.1080 / 09500349114552651 .
  3. ^ NR Heckenberg, McDuff, R; Smith, CP; White, AG, Generarea de singularități de fază optică prin holograme generate de computer , în Optics Letters , vol. 17, n. 3, 1992, pp. 221–223, Bibcode : 1992OptL ... 17..221H , DOI : 10.1364 / OL.17.000221 , PMID 19784282 .
  4. ^ Marrucci, L., C Manzo și D Paparo, Conversia optică a momentului angular spin-orbital în medii anizotrope neomogene , în Physical Review Letters , vol. 96, nr. 16, 2006, p. 163905, Bibcode : 2006PhRvL..96p3905M , DOI : 10.1103 / PhysRevLett . 96.163905 , PMID 16712234 .
  5. ^ a b c d e "Superrezoluție": în Vorticitate optică în astronomie. În profunzime Arhivat 25 noiembrie 2010 la Internet Archive . , de la Uniscienze, buletin informativ în rețea de cultură științifică , Universitatea din Padova
  6. ^ Fabrizio Tamburini, Bo Thidé, Gabriel Molina-Terriza & Gabriele Anzolin (2011); Răsucirea luminii în jurul găurilor negre rotative , Nature Physics , 7 (3): 195–197. Bibcode 2011NatPh ... 7..195T. DOI : 10.1038 / NPHYS1907
  7. ^ B. Thidé, H. Apoi, J. Sjöholm, K. Palmer, J. Bergman1, TD Carozzi, Ya. N. Istomin, NH Ibragimov, R. Khamitova, Utilizarea momentului unghiular fotonal orbital în domeniul radio cu frecvență redusă , Physical Review Letters 99, 087701 (2007)
  8. ^ „Twisted light” conține 2,5 terabiți de date pe secundă , pe bbc.co.uk , BBC News , 25 iunie 2012. Accesat la 13 iulie 2012 .
  9. ^ A b c d(EN) Jason Palmer, Jason Palmer, Undele „răsucite” ar putea spori capacitatea de Wi-Fi și TV , pe bbc.co.uk , BBC News , 2 martie 2012. Accesat la 13 iulie 2012 .
  10. ^ Fabrizio Tamburini, Elettra Mari, Anna Sponselli, Bo Thidé, Antonio Bianchini, Filippo Romanato, Codificarea mai multor canale pe aceeași frecvență prin vorticitate radio: primul test experimental , " New Journal of Physics ", 14 (2012), 033001 DOI : 10.1088 / 1367-2630 / 14/3/033001

linkuri externe

Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Vortice_ottico&oldid=117874844 ”