Nyt lasereksperiment drejer lys som en karusell

Men hvis hele pulsen passerer gennem området med et nyt brydningsindeks, forudsagde de, at der ikke ville være nogen ændring i OAM - som at have nogen på den modsatte side af en karusell, der forsøger at bremse den, mens du er forsøger at fremskynde det.

For at teste deres teori skulle holdet udvikle evnen til at svirpe en lille del af en puls, der bevæger sig med lysets hastighed. Heldigvis havde Milchbergs laboratorium allerede opfundet de passende værktøjer. I flere tidligere eksperimenter har gruppen manipuleret lys ved at bruge lasere til hurtig generering af plasmaer - en stoffase, hvor elektroner er blevet revet fri fra deres atomer. Processen er nyttig, fordi plasmaet bringer et nyt brydningsindeks med sig.

I det nye eksperiment brugte holdet en laser til at lave smalle søjler af plasma, som de kaldte transiente ledninger, der er små nok og blinker hurtigt nok til at målrette mod specifikke områder af pulsen midt under flyvningen. Brydningsindekset for en forbigående ledning spiller rollen som et barn, der skubber karusellen.

Forskerne genererede den transiente ledning og justerede omhyggeligt alle deres stråler, så ledningen præcist opfangede den ønskede sektion af den OAM-bærende puls. Efter at en del af pulsen passerede gennem ledningen og modtog et svirp, nåede pulsen en speciel optisk pulsanalysator, som holdet opfandt. Som forudsagt, da forskerne analyserede de indsamlede data, fandt de ud af, at brydningsindekssvipet ændrede pulsens tværgående OAM.

De lavede derefter små justeringer i orienteringen og timingen af ​​den transiente ledning for at målrette mod forskellige dele af lysimpulsen. Holdet udførte flere målinger, hvor den transiente tråd krydsede toppen og bunden af ​​to typer impulser:STOV'er, der allerede bar tværgående OAM og en anden type kaldet en Gaussisk puls uden nogen OAM overhovedet.

For de to tilfælde, der svarer til at skubbe en allerede roterende eller stationær karusell, fandt de ud af, at det største skub blev opnået ved at anvende det forbigående ledningssnur nær lysimpulsens top og bund.

For hver position justerede de også timingen af ​​den transiente trådlaser på forskellige kørsler, så forskellige mængder af pulsen rejste gennem plasmaet, og hvirvelen fik en forskellig mængde kick. Forskere, der tidligere genererede lyshvirvler, som de beskriver som "kant-først flyvende donuts", har nu udført eksperimenter, hvor de forstyrrer hvirvlernes vej midt under flyvningen for at studere ændringer i deres momentum. Billedkredit:Intense Laser-Matter Interactions Lab, UMD

Forskere, der tidligere genererede lyshvirvler, som de beskriver som "kant-først flyvende donuts", har nu udført eksperimenter, hvor de forstyrrer hvirvlernes vej midt under flyvningen for at studere ændringer i deres momentum. Billedkredit:Intense Laser-Matter Interactions Lab, UMD

Holdet viste også, at som en karusell, tilføjer skubbe med spindet OAM, og at skubbe imod det fjerner OAM. Da de modsatte kanter af den optiske karusell bevæger sig i modsatte retninger, kunne plasmatråden opfylde begge roller ved at ændre sin position, selvom den altid skubbes i samme retning. Gruppen siger, at de beregninger, de udførte ved hjælp af deres teori, er i fremragende overensstemmelse med resultaterne af deres eksperiment.

"Det viser sig, at ultrahurtigt plasma giver en præcisionstest af vores tværgående OAM-teori," siger Milchberg. "Den registrerer en målbar forstyrrelse af pulsen, men ikke så stærk en forstyrrelse, at pulsen er fuldstændig forvirret."

Holdet planlægger at fortsætte med at udforske fysikken forbundet med tværgående OAM. De teknikker, de har udviklet, kunne give ny indsigt i, hvordan OAM ændrer sig over tid under interaktionen af ​​en intens laserstråle med stof (hvilket er der, hvor Milchbergs laboratorium først opdagede tværgående OAM).

Gruppen planlægger at undersøge anvendelser af tværgående OAM, såsom indkodning af information i lysets hvirvlende impulser. Deres resultater fra dette eksperiment viser, at de naturligt forekommende fluktuationer i luftens brydningsindeks er for langsomme til at ændre en pulss tværgående OAM og forvrænge enhver information, den bærer.

"Det er på et tidligt tidspunkt i denne forskning," siger Hancock. "Det er svært at sige, hvor det vil gå hen. Det ser dog ud til at have meget lovende for grundlæggende fysik og applikationer. At kalde det spændende er en underdrivelse."

Flere oplysninger: S. W. Hancock et al., Spatiotemporal Torquing of Light, Physical Review X (2024). DOI:10.1103/PhysRevX.14.011031

Journaloplysninger: Fysisk gennemgang X , Physical Review Letters

Leveret af University of Maryland