MZVI-520 - учебный набор для исследования интерференции вихревых пучков

Вихревой оптический пучок, распространяющийся вдоль оси z в цилиндрической системе координат, представляет собой особый тип светового поля. Его ключевая особенность – наличие спирального фазового распределения, определяемого топологическим зарядом l.

1. Фазовые характеристики:

• Фазовый фронт имеет винтовую структуру.
• Полный фазовый набег при обходе вокруг оси составляет 2πl.
• Каждый фотон в пучке обладает орбитальным угловым моментом, пропорциональным топологическому заряду.

• Может принимать целые и дробные значения.
• Положительные и отрицательные значения соответствуют противоположным направлениям закрутки фазового фронта.
• Для целых значений l фаза изменяется монотонно от 0 до 2π (по или против часовой стрелки).
• Дробные значения приводят к искажению фазовой структуры.

• В центре пучка образуется темное ядро (фазовая сингулярность).
• Интенсивность в центральной точке всегда равна нулю.
• Такие пучки относятся к классу полых световых пучков.

Рис. 1 – Фазовое распределение для различных значений топологического заряда

На рисунке 1 показано фазовое распределение для различных значений топологического заряда. Положительные целые значения соответствуют плавному нарастанию фазы по часовой стрелке, отрицательные - против часовой стрелки. Дробные значения топологического заряда приводят к более сложной фазовой структуре, сохраняя при этом противоположный характер изменения фазы для положительных и отрицательных значений.

Рис. 2 – Распределение интенсивности

На рисунке 2 демонстрируется характерное распределение интенсивности с нулевым значением в центре пучка, что является отличительной особенностью вихревых оптических пучков. Эта уникальная структура светового поля находит применение в различных областях современной оптики и фотоники.

Принцип работы

Вихревые волновые пластины представляют собой оптические элементы, способные преобразовывать обычные лазерные пучки в световые вихри с заданными характеристиками. Принцип их действия основан на пространственно-неоднородном двулучепреломлении, когда локальная ориентация оптической оси пластины изменяется по определенному закону, создавая азимутально-зависимую фазовую задержку. Ключевой особенностью таких пластин является их поляризационная зависимость – эффект преобразования существенно определяется состоянием поляризации падающего излучения.

Когда на вихревую пластину падает циркулярно поляризованный свет, происходит не только изменение направления круговой поляризации (с левой на правую и наоборот), но и приобретение световым пучком спирального фазового фронта. Это явление объясняется накоплением геометрической фазы (фазы Панчаратнама-Берри) при прохождении света через анизотропную среду с пространственно-вращающейся оптической осью. В результате преобразованный пучок приобретает орбитальный угловой момент, величина которого определяется конструктивными параметрами пластины.

Для линейно поляризованного излучения вихревая пластина в чистом виде не работает, так как линейную поляризацию можно представить как суперпозицию правой и левой круговых поляризаций, эффекты от которых взаимно компенсируются. Поэтому на практике перед вихревой пластиной всегда устанавливают поляризатор и четвертьволновую пластину, которые обеспечивают необходимое круговое состояние поляризации входного пучка. Топологический заряд формируемого вихревого пучка напрямую определяется характеристиками самой пластины – ее "зарядом" m, при этом выполняется простое соотношение l = m.

 Интерференция между вихревым пучком и сферической волной

Исследование интерференционных картин, возникающих при взаимодействии вихревых пучков с плоскими и сферическими волнами, представляет значительный интерес для современной оптики. При интерференции вихревого пучка с плоской волной наблюдается характерная вилообразная структура интерференционных полос. Количество ответвлений в этой структуре точно соответствует значению топологического заряда вихревого пучка, причем положительные и отрицательные значения заряда приводят к противоположной ориентации вилообразного узора. Особенностью таких интерференционных картин является их асимметрия при дробных значениях топологического заряда, когда помимо основного разветвления в фазовой сингулярности наблюдается дополнительный сдвиг интерференционных полос.

Рис. 3 – Распределение интенсивности вихревого света и интерференционного света сферической волны

Совершенно иная картина возникает при интерференции вихревых пучков со сферическими волнами. В этом случае формируется спиральный интерференционный узор, количество витков которого соответствует абсолютному значению топологического заряда. Направление закрутки спирали определяется знаком заряда - положительные значения дают правовинтовую структуру, отрицательные левовинтовую. Как и в случае с плоскими волнами, дробные значения топологического заряда приводят к искажению интерференционной картины, проявляющемуся в асимметричном смещении спиральных полос относительно центра. Эти характерные интерференционные структуры служат важным диагностическим инструментом для определения параметров вихревых пучков, в частности, позволяют экспериментально определять величину и знак топологического заряда.

Экспериментальные исследования таких интерференционных явлений требуют тщательной юстировки оптической системы. Особое внимание уделяется точному совмещению оптических осей интерферирующих пучков и контролю их взаимной интенсивности. Полученные интерференционные картины не только демонстрируют фундаментальные свойства вихревых пучков, но и находят практическое применение в системах оптической обработки информации, где используются для кодирования и передачи данных.

Источники:

1. Marrucci L. // Rotating light with light: Generation of helical modes of light by spin-to-orbital angular momentum conversion in inhomogeneous liquid crystals. Molecular Crystals and Liquid Crystals, 2008, vol. 488: pp. 148-162.

2. Сюй Лицзюань // Исследование генерации и характеристик вихревых пучков. Ханчжоу: Чжэцзянский университет, 2014.