Untersuchung der neuesten Entwicklungen raumzeitlicher Lichtwirbel

31. Mai 2023

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von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften

Lichtwirbel, Nullintensitätsbereiche, umgeben von Spiralphasen, bilden das Skelett eines Wellenfeldes und beeinflussen die Eigenschaften des Lichts. Seit der Entdeckung des engen Zusammenhangs zwischen optischen Wirbeln und dem Bahndrehimpuls (OAM) des Lichts in der bahnbrechenden Arbeit im Jahr 1992 wurden erhebliche Forschungsfortschritte erzielt, um die Schönheit von Lichtwirbeln zu enthüllen.

Zahlreiche Anwendungen optischer OAM wurden sowohl in der klassischen Optik als auch in der Quantenoptik entdeckt, darunter optische Kommunikation, Quantenverschränkung und Kryptographie, optische Pinzette, Antriebsdrehmoment für eine Mikromaschine, Rotations-Doppler-Verschiebung und Bildgebung.

In einem neuen, in eLight veröffentlichten Artikel untersuchte ein Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Professor Qiwen Zhan von der Universität Shanghai für Wissenschaft und Technologie die neuesten Entwicklungen raumzeitlicher Lichtwirbel.

Optische Wirbel weisen eine azimutale Phasenabhängigkeit auf. Die von jedem Photon getragene OAM ist proportional zur topologischen Ladung und quantisiert. Der mit zirkularen Polarisationszuständen verbundene Spin-Drehimpuls (SAM) ist begrenzt, der OAM pro Photon ist jedoch theoretisch unbegrenzt. Die Drehimpulsrichtung des Lichts verläuft üblicherweise entlang der Ausbreitungsrichtung.

Vor einem Jahrzehnt entstand das Interesse an transversaler SAM und es wurden transversal rotierende elektrische Felder in stark fokussierten Strahlen und evaneszenten Wellen entdeckt. Das Wort „photonisches Rad“ beschreibt die orthogonale Beziehung zwischen der SAM-Richtung und der Ausbreitungsrichtung. Analog haben optische Wirbel, die transversale OAM tragen, schnell wachsendes Interesse geweckt.

Mit der speziellen Relativitätstheorie wurden geneigte Lichtwirbel vorhergesagt. Ein sich transversal bewegender Beobachter sieht einen räumlichen optischen Wirbel nahe der Lichtgeschwindigkeit als geneigten Wirbel. Spatiotemporale optische Wirbel (STOVs), die einen kleinen Teil der Gesamtenergie ausmachen, wurden erstmals in Femtosekundenfilamenten in der Luft beobachtet.

Später wurde die steuerbare Erzeugung von STOVs mit transversalem OAM mithilfe linearer Optik demonstriert. Es wurde über die Erzeugung der zweiten Harmonischen (SHG) der transversalen OAM berichtet und die Erhaltung der OAM nachgewiesen. Außerdem wurden eine strenge Berechnung des transversalen OAM und die Kopplung von transversalem OAM und SAM durchgeführt.

Es wurden Schemata zur Erzeugung von STOVs mithilfe von Metaoberflächen und photonischen Kristallen entwickelt. Zweifellos hat die experimentelle Realisierung von STOVs das zunehmende Interesse an STOVs vorangetrieben und ihre potenziellen Anwendungen bei verschiedenen optischen Phänomenen vorangetrieben. Es ist zu beachten, dass sich dieser Artikel auf die jüngsten Fortschritte im Zusammenhang mit STOVs konzentriert. Leser, die sich für die neuesten Entwicklungen allgemeinerer raumzeitlicher Wellenpakete und strukturierter Wellen interessieren, können auf mehrere in dieser Arbeit zitierte Übersichtsartikel verweisen.

Mehr Informationen: Chenhao Wan et al., Optische raumzeitliche Wirbel, eLight (2023). DOI: 10.1186/s43593-023-00042-6

Zur Verfügung gestellt von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften