Fange nye mønstre af hvirvlende lys midt under flyvningen

I mange situationer, det er rimeligt at sige, at lys bevæger sig i en lige linje, uden at der sker meget undervejs. Men lys kan også skjule komplekse mønstre og adfærd, som kun en omhyggelig observatør kan afdække.

Dette er muligt, fordi lys opfører sig som en bølge, med egenskaber, der spiller en rolle i flere interessante fænomener. En sådan egenskab er fase, som måler, hvor du er på en bølgende bølge - om du sidder på en top, et trug eller et sted midt imellem. Når to (ellers identiske) lysbølger mødes og er ude af fase, de kan forstyrre hinanden, kombinere for at skabe indviklede mønstre. Fase er en integreret del af, hvordan lysbølger interagerer med hinanden, og hvordan energi flyder i en stråle eller lyspuls.

Forskere ved University of Maryland, ledet af UMD Fysik Professor Howard Milchberg, har opdaget nye måder, hvorpå lysets fase kan danne optiske hvirvler - mønstre kendt som spatiotemporale optiske hvirvler (STOV'er). I et papir offentliggjort i tidsskriftet Optica den 18. december, 2019, forskerne fangede det første syn på disse fasehvirvler beliggende i rum og tid, udvikle en ny metode til at observere ultrahurtige lysimpulser.

Hver STOV er en lyspuls med et bestemt mønster af intensitet - et mål for, hvor energien er koncentreret - og fase. I STOV'erne udarbejdet af Milchberg og hans samarbejdspartnere, intensiteten danner en sløjfe i rum og tid, som forskerne beskriver som en kant-først flyvende donut:Hvis du kunne se pulsen flyve mod dig, du ville kun se kanten af ​​donuten og ikke hullet. (Se billedet længst til venstre nedenfor, hvor negative tider er tidligere.) I samme område af rum og tid, fasen af ​​lysimpulsen danner et hvirvlende mønster, skabe en hvirvel centreret på donuthullet (billedet længst til højre).

Milchberg og kolleger opdagede STOV'er i 2016, da de fandt strukturer, der ligner "optiske røgringe", der dannes omkring intense laserstråler. Disse ringe har en fase, der varierer rundt om deres kant, som luftstrømmene, der hvirvler rundt om en røgring. Hvirvlerne lavet i den nye undersøgelse er en lignende, men enklere struktur:Hvis du tænker på den originale røgring som et armbånd lavet af perler, de nye STOV'er er som de enkelte perler.

Det tidligere arbejde viste, at STOV'er giver en elegant ramme til at forstå en velkendt højintensitets lasereffekt - selvstyrende. Ved høj intensitet, denne effekt opstår, når en laserpuls, interagerer med mediet, det rejser igennem, komprimerer sig selv til en tæt stråle. Forskerne viste, at i denne proces, STOV'er er ansvarlige for at styre strømmen af ​​energi og omforme laseren, skubber energi sammen foran og fra hinanden på bagsiden.

Den første opdagelse så på, hvordan disse ringe dannede sig omkring en lysstråle i to dimensioner. Men forskerne kunne ikke udforske hvirvlernes indre arbejde, fordi hver puls er for kort og hurtig til, at tidligere etablerede teknikker kan fange. Hver puls passerer på kun femtosekunder - omkring 100 billioner gange hurtigere end et øjenblink.

"Det er ikke mikrosekunds- eller endda nanosekundpulser, som du bare bruger elektronik til at fange, " siger Sina Zahedpour, en medforfatter til papiret og UMD fysik postdoc. "Dette er ekstremt korte pulser, som du skal bruge optiske tricks til at afbilde."

For at fange både intensiteten og fasen af ​​de nye STOV'er, forskere skulle forberede tre ekstra pulser. Den første puls mødtes med STOV'en inde i et tyndt glasvindue, frembringer et interferensmønster kodet med STOV-intensiteten og -fasen. Dette mønster blev udlæst ved hjælp af to længere pulser, producere data som vist på billedet ovenfor.

"De værktøjer, vi tidligere kun havde set på lysets amplitude, " siger Scott Hancock, en UMD fysik kandidatstuderende og første forfatter af papiret. "Nu, vi kan få det fulde billede med fase, og dette er et bevis på, at princippet virker til at studere ultrahurtige fænomener."

STOV'er kan have en modstandsdygtighed, der er nyttig til praktiske anvendelser, fordi deres vridning, skruelignende fase gør dem robuste mod små forhindringer. For eksempel, som en STOV rejser gennem luften, dele af pulsen kan blive blokeret af vanddråber og andre små partikler. Men mens de fortsætter, STOV'erne har en tendens til at udfylde de små sektioner, der blev slået ud, reparation af mindre skader på en måde, der kunne hjælpe med at bevare enhver information, der er registreret i pulsen. Også, fordi en STOV-puls er så kort og hurtig, den er ligeglad med normale udsving i luften, der er forholdsvis langsomme.

"Kontrolleret generering af spatiotemporale optiske hvirvler kan føre til anvendelser såsom elastisk udbredelse af information eller strålekraft gennem turbulens eller tåge, " siger Milchberg. "Disse er vigtige for applikationer såsom frirum optisk kommunikation ved hjælp af lasere eller til at levere strøm fra jordstationer til luftfartøjer."