Vórtice óptico

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 transporta un momento angular orbital con el tren de ondas e inducirá un par en un dipolo eléctrico. El momento angular orbital es distinto de el momento angular de espín más común, que produce polarización circular. El momento angular orbital de la luz se puede observar en el movimiento orbital de 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 varias maneras. Se pueden generar directamente en un láser, o un rayo láser se puede convertir en un vórtice utilizando cualquiera de varios métodos, como hologramas generados por computadora, estructuras de retardo de fase en espiral o vórtices birrefringentes en materiales.

Propiedades

Una singularidad óptica es un cero de un campo óptico. La fase en el campo circula alrededor de estos puntos de intensidad cero (de ahí el 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 2π. Este número entero se conoce como carga topológica, o fuerza, del vórtice.

Un modo hipergeométrico-gaussiano (HyGG) tiene un vórtice óptico en su centro. La viga, que tiene la forma

↑ ↑ ∝ ∝ eimφ φ e− − r2,{displaystyle psi propto e^{imphi }e^{-r^{2},!

es una solución a la ecuación de onda paraxial (ver aproximación paraxial y el artículo sobre 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.

Creación

Existen varios métodos para crear modos hipergeométricos-gaussianos, incluso con una placa de fase en espiral, hologramas generados por computadora, conversión de modo, una placa q o un modulador de luz espacial.

• Las placas de fase de espiral estatica (s) o espejo(s) son piezas en forma de espiral de cristal o plástico que están diseñadas específicamente para la carga topológica deseada y longitud de onda de incidentes. Son eficientes, pero caros. Las placas de fase de espiral ajustables se pueden hacer moviendo una cuña entre dos lados de una pieza de plástico agrietada. Los espejos de fase espiral Off-axis pueden utilizarse para convertir láseres de alta potencia y ultracortes.
• Los hologramas generados por ordenador (CGHs) son el interferograma calculado entre una ola de avión y un haz Laguerre-Gaussiano que se transfiere al cine. El CGH se asemeja a un recubrimiento de difracción lineal Ronchi común, ahorre una dislocación de "perro". Un rayo láser incidental crea un patrón de difracción con vórtices cuya carga topológica aumenta con orden de difracción. El orden cero es Gaussian, y los vórtices tienen helicidad opuesta en cualquiera de los lados de este rayo no roto. El número de pinzas en la horquilla CGH está directamente relacionado con la carga topológica del primer vórtice de orden de difracción. El CGH puede ser culpado para dirigir más intensidad en el primer orden. El blanqueamiento lo transforma de una intensidad gratificante a una fase de pastoreo, lo que aumenta la eficiencia.

• La conversión de modo requiere modos Hermite-Gaussian (HG), que se puede hacer fácilmente dentro de la cavidad láser o externamente por medios menos precisos. Un par de lentes astigmáticos introduce un cambio de fase Gouy que crea un haz LG con índices azimutales y radiales dependientes de la entrada HG.
• Un modulador de luz espacial es un dispositivo electrónico de cristal líquido controlado por ordenador que puede crear vórtices dinámicos, arrays de vórtices y otros tipos de vigas creando un holograma de índices refractivos variables. Este holograma puede ser un patrón de tenedor, una placa de fase espiral, o algún patrón similar con carga topológica no cero.
• Espejo deformable hecho de segmentos se puede utilizar para dinámicamente (con una tasa de hasta unos pocos kHz) crear vórtices, incluso si iluminados por láseres de alta potencia.
• Un q-plate es una placa de cristal líquido birefringente 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 una ± ± 2q{displaystyle pm 2q} cargar vórtice basado en la polarización del haz de entrada.
• Un s-plate es una tecnología similar a un q-plate, utilizando un láser UV de alta intensidad para permanentemente etch un patrón birefringent en vidrio de sílice con una variación azimutal en el eje rápido con carga topológica de s. A diferencia de un q-plate, que puede ser longitud de onda sintonizada ajustando el voltaje de sesgo en el cristal líquido, un s-plate sólo funciona para una longitud de onda de luz.
• En frecuencias de radio es trivial producir un vórtice electromagnético (no óptico). Simplemente organiza un anillo de longitud de onda o mayor diámetro de las antenas de tal manera que el cambio de fase de las antenas de transmisión varía un múltiple integral de 2π alrededor del anillo.
• Las metástricas nanofotónicas pueden permitir la modulación de fase transversal para crear vórtices ópticos. Las vigas de vórtice se pueden generar en espacio libre o en un chip fotonico integrado.
• Una lente espiral puede “[incorporar] los elementos necesarios para hacer un vórtice óptico directamente en su superficie”. La espiralización de un diopter puede alcanzar la multifocalidad, permitiendo, por ejemplo, en aplicaciones oftalmológicas, aumentar la agudeza sobre una amplia gama de distancias focales y niveles de luz.

Detección

Un vórtice óptico, siendo fundamentalmente una estructura de fase, no puede ser detectado únicamente a partir de su perfil de intensidad. Además, como las vigas de vórtice del mismo orden tienen perfiles de intensidad aproximadamente idénticos, no pueden caracterizarse únicamente de sus distribuciones de intensidad. Como resultado, se emplea una amplia gama de técnicas interferométricas.

• El más simple de las técnicas es interferir un haz de vórtice con una onda plana inclinada, que resulta en un interferograma similar al tenedor. Haciendo un recuento del número de horquillas en el patrón y sus orientaciones relativas, se puede calcular con precisión la orden del vórtice y su signo correspondiente.
• Un haz de vórtice se puede deformar en su estructura de lóbulo característica mientras pasa por una lente inclinada. Esto sucede como resultado de una autointerferencia entre diferentes puntos de fase en un vórtice. Un rayo de vórtice de orden l se dividirá en n = l + 1 lóbulos, aproximadamente alrededor de la profundidad del enfoque de una lente convexa inclinada. Además, la orientación de los lóbulos (derecha y izquierda diagonal), determina las órdenes de impulso angular orbital positivas y negativas.
• Un rayo de vórtice genera una estructura de lóbulo cuando se interfiere con un vórtice de signo opuesto. Esta técnica no ofrece ningún mecanismo para caracterizar los signos, sin embargo. Esta técnica se puede emplear colocando un prisma Dove en uno de los caminos de un interferómetro Mach-Zehnder, bombeado con un perfil de vórtice.

Aplicaciones

Existe una amplia variedad de aplicaciones de vórtices ópticos en diversas áreas de comunicaciones e imágenes.

• Los planetas extraordinarios han sido detectados recientemente directamente, ya que su estrella padre es tan brillante. Se ha avanzado en la creación de un coronagrama de vórtice óptico para observar directamente planetas con una relación de contraste demasiado baja con su padre para ser observado con otras técnicas.
• Los vórtices ópticos se utilizan en pinzas ópticas para manipular partículas de tamaño micrométrico como las células. Tales partículas pueden girarse en órbitas alrededor del eje del haz utilizando OAM. Los micromotores también se han creado utilizando pinzas de vórtice óptico.
• Los vórtices ópticos pueden mejorar significativamente el ancho de banda de comunicación. Por ejemplo, los rayos de radio retorcidos podrían aumentar la eficiencia radioespectral utilizando el gran número de estados vorticos. La cantidad de “twisting” frontal de fase indica el número de estado de impulso angular orbital, y los rayos con diferente impulso angular orbital son ortogonales. Tal multiplexación angular orbital basada en el impulso puede aumentar potencialmente la capacidad del sistema y la eficiencia espectral de la comunicación inalámbrica de onda milímetro.
• Del mismo modo, los resultados experimentales tempranos para la multiplexación del impulso angular orbital en el dominio óptico han mostrado resultados a corta distancia, pero las demostraciones de distancia más largas siguen llegando. El principal desafío que estas demostraciones han enfrentado es que las fibras ópticas convencionales cambian el impulso angular de los vórtices giratorios mientras se propagan, y pueden cambiar el impulso angular orbital cuando se doblan o enfatizan. Hasta ahora la propagación estable de hasta 50 metros se ha demostrado en fibras ópticas especializadas. Se ha demostrado que la transmisión del espacio libre de modos de luz angular orbital a lo largo de una distancia de 143 km es capaz de soportar la codificación de información con buena robustez.
• Las computadoras actuales usan electrónicas que tienen dos estados, cero y uno. El cálculo cuántico podría usar la luz para codificar y almacenar información. Los vórtices ópticos teóricamente tienen un número infinito de estados en el espacio libre, ya que no hay límite a la carga topológica. Esto podría permitir una manipulación de datos más rápida. La comunidad de criptografía también está interesada en vortices ópticos para la promesa de una comunicación de ancho de banda superior discutida anteriormente.
• En microscopía óptica, los vórtices ópticos se pueden utilizar para lograr la resolución espacial más allá de los límites normales de difusión utilizando una técnica llamada Microscopía de Emisión Estimulada. Esta técnica aprovecha la baja intensidad de la singularidad en el centro del haz para desplegar los fluoróforos alrededor de un área deseada con un haz de vórtice óptico de alta intensidad sin desplegar fluoróforos en el área de destino deseada.
• Los vórtices ópticos también se pueden transferir directamente (resonantemente) a fluidos polaritos de luz y materia para estudiar la dinámica de los vórtices cuánticos en regímenes de interacción lineales o no lineales.
• Los vórtices ópticos se pueden identificar en las correlaciones no locales de pares de fotones enredados.