_ Laser nou experimentul învârte lumina ca un carusel

În viața de zi cu zi, lumina pare intangibilă. Mergem prin el și îl creăm și îl stingem cu apăsarea unui comutator. Dar, ca și materia, lumina are de fapt un pic de pumn - are impuls. Lumina ghiontește în mod constant lucrurile și poate fi chiar folosită pentru a împinge nave spațiale. De asemenea, lumina poate roti obiecte dacă poartă moment unghiular orbital (OAM) – proprietatea asociată cu tendința unui obiect care se rotește de a continua să se rotească.

Oamenii de știință știu că lumina poate avea OAM încă de la începutul anilor 90 și ei” Am descoperit că OAM-ul luminii este asociat cu vârtejuri sau vârtejuri în faza luminii - poziția vârfurilor sau jgheaburilor undelor electromagnetice care alcătuiesc lumina. Inițial, cercetările privind OAM s-au concentrat asupra vârtejurilor care există în secțiunea transversală a unui fascicul de lumină - faza care se rotește ca elicea unui avion care zboară de-a lungul traseului luminii.

Dar în ultimii ani, fizicienii de la UMD , conduși de profesorul de fizică UMD Howard Milchberg, au descoperit că lumina își poate transporta OAM într-un vortex întors în lateral - faza se învârte ca o roată pe o mașină, rostogolindu-se împreună cu lumina. Cercetătorii au numit aceste structuri luminoase vortexuri optice spațio-temporale (STOV) și au descris impulsul pe care îl poartă ca OAM transversal.

„Înainte de experimentele noastre, nu se aprecia că particulele de lumină – fotonii – ar fi putut fi OAM îndreptat lateral”, spune Milchberg. „Colegii au crezut inițial că este ciudat sau greșit. Acum, cercetarea asupra STOV-urilor crește rapid la nivel mondial, cu posibile aplicații în domenii precum comunicațiile optice, optica neliniară și formele exotice de microscopie.”

Într-un articol. publicat în revista Physical Review X, echipa descrie o tehnică nouă pe care au folosit-o pentru a schimba OAM transversal al unui puls de lumină în timp ce acesta se deplasează. Metoda lor necesită unele instrumente de laborator, cum ar fi laserele specializate, dar, în multe privințe, seamănă cu învârtirea unui carusel de loc de joacă sau răsucirea unei chei.

„Deoarece STOV-urile sunt un domeniu nou, scopul nostru principal este dobândind o înțelegere fundamentală a modului în care funcționează. Și una dintre cele mai bune modalități de a face acest lucru este să te încurci cu ei", spune Scott Hancock, cercetător postdoctoral în fizică UMD și primul autor al lucrării. „Practic, care sunt regulile fizicii pentru schimbarea OAM transversal al unui impuls de lumină?”

În lucrările anterioare, Milchberg, Hancock și colegii au descris modul în care au creat și observat impulsurile de lumină care transportă OAM transversal, și într-o lucrare publicată în Physical Review Letters în 2021, ei au prezentat o teorie care descrie cum se calculează acest OAM și oferă o foaie de parcurs pentru schimbarea OAM transversală a unui STOV.

Consecințele descrise în teoria echipei sunt: Nu este atât de diferită de fizica la joacă când copiii sunt pe un loc de joacă. Când rotiți un carusel, schimbați momentul unghiular împingându-l, iar eficiența unei împingeri depinde de locul în care aplicați forța - nu obțineți nimic din împingerea spre interior pe ax și cea mai mare schimbare de la împingerea laterală pe marginea exterioară.

Masa caruselui și tot ce se află pe el influențează și momentul unghiular. De exemplu, copiii care sar de pe un carusel în mișcare transportă o parte din momentul unghiular, făcând caruselul mai ușor de oprit.

Teoria echipei despre OAM transversal al luminii arată foarte mult similar cu fizica care guvernează rotirea unui carusel. Cu toate acestea, caruselul lor este un disc format din energie luminoasă așezată într-o dimensiune a spațiului și alta a timpului în loc de două dimensiuni spațiale, iar axa sa se mișcă cu viteza luminii.

Teoria lor prezice că împingerea diferitelor părți ale unui puls de lumină carusel poate modifica OAM transversal al acestuia în cantități diferite și că, dacă un pic de lumină este împrăștiat de pe o bucată de praf și părăsește pulsul, atunci pulsul pierde o parte transversală. OAM cu el.

Echipa s-a concentrat pe testarea a ceea ce s-a întâmplat când au dat vârtejelor transversale OAM. Însă schimbarea OAM transversală a unui impuls luminos nu este la fel de ușoară ca să dai o împingere solidă unui carusel; nu există nicio problemă de care să apuci și să aplici o forță. Pentru a schimba OAM transversal al unui impuls de lumină, trebuie să-i deplasați faza.

Pe măsură ce lumina călătorește prin spațiu, faza sa se schimbă în mod natural, iar cât de repede se schimbă faza depinde de indicele de refracție al materialului. prin care străbate lumina. Așadar, Milchberg și echipa au prezis că, dacă ar putea crea o schimbare rapidă a indicelui de refracție în anumite locații ale pulsului în timp ce acesta zbura, ar trece acea parte a pulsului.

Totuși, dacă întregul puls. pulsul trece prin zona cu un nou indice de refracție, ei au prezis că nu va exista nicio schimbare în OAM - cum ar fi dacă cineva din partea opusă a unui carusel încearcă să-l încetinească în timp ce tu încerci să-l accelerezi .

Pentru a-și testa teoria, echipa a trebuit să dezvolte capacitatea de a deplasa o mică secțiune a unui puls care se mișcă cu viteza luminii. Din fericire, laboratorul lui Milchberg inventase deja instrumentele adecvate. În mai multe experimente anterioare, grupul a manipulat lumina folosind lasere pentru generarea rapidă de plasme - o fază a materiei în care electronii au fost smulși de atomii lor. Procesul este util deoarece plasma aduce cu sine un nou indice de refracție.

În noul experiment, echipa a folosit un laser pentru a face coloane înguste de plasmă, pe care le-a numit fire tranzitorii, care sunt suficient de mici. și fulgerează la existență suficient de repede pentru a viza anumite regiuni ale pulsului în mijlocul zborului. Indicele de refracție al unui fir tranzitoriu joacă rolul unui copil care împinge caruselul.

Cercetătorii au generat firul tranzitoriu și și-au aliniat meticulos toate fasciculele, astfel încât firul să intercepteze cu precizie secțiunea dorită. a pulsului purtător de OAM. După ce o parte din puls a trecut prin fir și a primit o lovitură, pulsul a ajuns la un analizor de puls optic special inventat de echipa. După cum sa prezis, atunci când cercetătorii au analizat datele colectate, au descoperit că mișcarea indicelui de refracție a schimbat OAM transversal al pulsului.

Au făcut apoi ușoare ajustări în orientarea și sincronizarea firului tranzitoriu pentru a viza diferite părți ale pulsul luminos. Echipa a efectuat mai multe măsurători cu firul tranzitoriu traversând partea superioară și inferioară a două tipuri de impulsuri: STOV-uri care transportau deja OAM transversal și un al doilea tip numit impuls Gaussian fără niciun OAM.

Pentru două cazuri corespunzând împingerii unui carusel care se învârte sau staționează, ei au descoperit că cea mai mare împingere a fost obținută prin aplicarea unui fir tranzitoriu în apropierea marginilor de sus și de jos ale pulsului de lumină.

Pentru fiecare. poziția, au ajustat, de asemenea, sincronizarea laserului cu fir tranzitoriu pe diferite curse, astfel încât diferite cantități de puls parcurse prin plasmă și vortexul a primit o cantitate diferită de lovitură. Cercetătorii care au generat anterior vârtejuri de lumină pe care le descriu drept „goșile zburătoare de pe marginea întâi” au efectuat acum experimente în care perturbă calea vârtejurilor în timpul zborului pentru a studia schimbările în impulsul lor. Credit imagine: Intense Laser-Matter Interactions Lab, UMD.

Cercetătorii care anterior au generat vârtejuri de lumină pe care le descriu drept „goșile zburătoare de pe marginea întâi” au efectuat acum experimente în care perturbă calea vârtejurilor la mijloc. zbor pentru a studia schimbările din impulsul lor. Credit imagine: Intense Laser-Matter Interactions Lab, UMD

Echipa a mai arătat că, la fel ca un carusel, împingerea cu rotirea adaugă OAM, iar împingerea împotriva lui elimină OAM. Deoarece marginile opuse ale caruselul optic se deplasează în direcții opuse, firul de plasmă ar putea îndeplini ambele roluri schimbându-și poziția, chiar dacă este întotdeauna împins în aceeași direcție. Grupul spune că calculele pe care le-au efectuat folosind teoria lor sunt în acord excelent cu rezultatele experimentului lor.

„Se pare că plasma ultrarapidă oferă un test de precizie al teoriei noastre OAM transversale”, spune Milchberg. „Înregistrează o perturbare măsurabilă a pulsului, dar o perturbare nu atât de puternică încât pulsul să fie complet încurcat.”

Echipa intenționează să continue explorarea fizicii asociate cu OAM transversal. Tehnicile pe care le-au dezvoltat ar putea oferi noi perspective asupra modului în care OAM se schimbă în timp în timpul interacțiunii unui fascicul laser intens cu materia (care este locul în care laboratorul lui Milchberg a descoperit pentru prima dată OAM transversal).

Grupul intenționează să investigheze aplicațiile. de OAM transversal, cum ar fi codificarea informațiilor în impulsurile de lumină învolburate. Rezultatele lor din acest experiment demonstrează că fluctuațiile care apar în mod natural ale indicelui de refracție a aerului sunt prea lente pentru a modifica OAM transversal al pulsului și pentru a distorsiona orice informație pe care o transportă.

„Este într-un stadiu incipient al acestui experiment. cercetare", spune Hancock. „Este greu de spus unde va ajunge. Cu toate acestea, pare să aibă o mulțime de promisiuni pentru fizica și aplicațiile de bază. A numi acest lucru interesant este o subestimare.”

(Fluierul)