x
Responsive Menu Clicked Image

VĚDECKÁ ČINNOST

»  Světelné víry

Světelné víry označují speciální stavy světla, které vykazují šroubovitý tvar vlnoplochy a přenášejí orbitální moment hybnosti.  Šroubovitá vlnoplocha je určena orientací a velikostí stoupání a má neurčitost (singularitu) fáze v místě osy. Světelné víry mají řadu významných fyzikálních vlastností a aplikací a jsou studovány v rámci Singulární optiky, jejíž název byl zaveden profesorem Maratem Soskinem.

SINGULÁRNÍ OPTIKA A SVĚTELNÉ VÍRY


sv_1

KLASIFIKACE OPTICKÝCH SINGULARIT

Singulární optika se ve svých počátcích zaměřovala na paprskové singularity související s paprskovou obálkou zvanou kaustika. V současnosti je největší pozornost soustředěna na fázové singularity, které zahrnují hranové, šroubovité nebo kombinované dislokace. Teoreticky i experimentálně jsou rovněž studovány prostorově proměnné polarizační stavy, které vykazují singularitu směru kmitů elektrického pole. Nejznámějšími příklady polarizační singularity jsou svazky s  radiální a azimutální polarizací. Jejich polarizace je lokálně lineární, směr kmitů  se ale s pozicí mění.  U radiální polarizace jsou kmity elektrické intenzity v daném bodě svazku orientovány ve směru určeném spojnicí bodu s osou svazku. Na ose svazku nastává singularita kmitosměru a elektrická intenzita nabývá nulové hodnoty.


sv_2

IDENTIFIKACE SVĚTELNÝCH VÍRŮ

Při identifikaci světelných vírů jde o určení topologie fázové plochy specifikované parametrem známým jako topologický náboj m. Jeho znaménko a velikost určují orientaci a stoupání šroubovité vlnoplochy. V matematickém přístupu lze vírovou strukturu rozpoznat nenulovou hodnotou cirkulace gradientu fáze podél křivky uzavírající vírové centrum. Pro optickou identifikaci  je možné použít interferenci světelného víru se sférickou nebo rovinnou vlnou, která dává typický spirální nebo vidličkovitý interferenční obrazec. Počet ramen spirál a násobnost vidličkovitého rozštěpení interferenčního proužku určuje velikost topologického náboje. Orientace spirál a vidličky souvisí se směrem stoupání šroubovité vlnoplochy.


sv_3

IDENTIFIKACE SLOŽENÝCH VÍROVÝCH POLÍ

V nosném svazku může být vytvořena složitější singulární struktura obsahující několik světelných vírů s různým topologickým nábojem. Z interferenčních obrazců lze určit pozici center jednotlivých vírů i jejich topologické náboje.


sv_4

ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI SVĚTELNÝCH VÍRŮ


sv_5

 

  Z. Bouchal, Vesmír 82, 152, 2003.

 

  Z. Bouchal, Čs. čas. fyz. 53, 18, 2003. 

 

MOMENT HYBNOSTI SVĚTLA

Kromě energie a hybnosti mohou světelné svazky přenášet také moment hybnosti, který zahrnuje spin a orbitální moment hybnosti. Spin vykazuje svazek s kruhovou polarizací a při interakci s mikroskopickými objekty se přenos spinu projeví rotací částic kolem vlastní osy. Orbitální moment hybnosti má přímou spojitost s azimutální složkou toku elektromagnetické energie a šroubovitým tvarem vlnoplochy. Při interakci vírového svazku s mikroskopickými částicemi se orbitální moment hybnosti projevuje rotací částic kolem osy svazku.


sv_6

MOMENT HYBNOSTI SVĚTLA V HISTORICKÝCH SOUVISLOSTECH


sv_7

GENERACE SVĚTELNÝCH VÍRŮ SPIRÁLNÍ FÁZOVOU MASKOU

Laserový svazek s obvyklým gaussovským amplitudovým profilem je přeměněn na vírový svazek po průchodu přes spirální fázovou masku. Spirální fázová maska zavádí změnu optiké dráhy, která lineárně narůstá s azimutálním úhlem, a v názorné představě odpovídá stupni točitého schodiště. Pokud při změně azimutálního úhlu o   dojde ke změně optické dráhy o , vytvořený vírový svazek má šroubovitou vlnoplochu, která je určena topologickým nábojem  m. Spirální fázové masky mohou být připraveny fotolitograficky a nabízí je například firma RPC Photonics. 


sv_8_1

http://www.rpcphotonics.com/markets.asp

GENERACE SVĚTELNÝCH VÍRŮ SVAZKOVOU KONVERZÍ

Vírové svazky laguerreovského-gaussovského (LG) typu je možné získat koherentní superpozicí hermiteovských-gaussovských (HG) svazků. Při této konverzi je nutné mezi HG svazky zavést fázové posunutí π/2, které vyžaduje použití astigmatického systému tvořeného válcovými čočkami.


sv_9

ANALOGIE POLARIZAČNÍ A SVAZKOVÉ KONVERZE

Vytváření vírových LG svazků pomocí HG svazků má přímou analogii s přípravou kruhově polarizovaného světla. Vertikální a horizonlání polarizační složky jsou nahrazeny svazky HG10 a HG01. Zatímco v polarizační optice lze fázové posunutí π/2 jednoduše zavést pomocí λ/4 fázové destičky, při svazkové konverzi je nutné použít speciálně navržený astigmatický systém.


sv_10

EXPERIMENTÁLNÍ DEMONSTRACE VÍROVÉ KONVERZE


sv_11_1http://laser.physics.sunysb.edu/~alex/ppt/

 

GENERACE SVĚTELNÝCH VÍRŮ POMOCÍ PMS

V současných experimentech jsou světelné víry nejčastěji vytvářeny pomocí prostorového modulátoru světla (PMS) (odkaz zde). PMS představuje displej tvořený buňkami kapalných krystalů, které jsou ovládány pomocí PC a cíleně mění amplitudu nebo fázi světla. Touto technologií lze generovat nejen jednoduché vírové svazky s daným topologickýcm nábojem ale i složená vírová pole s předepsanou amplitudovou a fázovou strukturou.


sv_12

VYUŽITÍ SVĚTELNÝCH VÍRŮ

Světelné víry byly zkoumány nejen z pohledu řady vyjímečných fyzikálních vlastností ale pozornost byla zaměřena také na jejich praktické využití. V LDO bylo hlavní úsilí věnováno přenosu orbitálního momentu hybnosti světlelných vírů na mechanické objekty v optických manipulacích (odkaz zde), využití prostorových stupňů volnosti světelných vírů pro přenos informace (odkaz zde), využití spirální fázové modulace pro zobrazení transparentních vzorků (odkaz zde) a použití rotačních vírových efektů pro přesnou axiální lokalizaci transparentních a fluorescenčních objektů v mikroskopii (odkaz zde).

sv_13

Publikační výstupy LDO v oblasti Světelných vírů a orbitálního momentu hybnosti světla zde