빛의 시공간 소용돌이의 최신 개발 조사

2023년 5월 31일

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중국과학원 제공

빛의 소용돌이, 나선형 위상으로 둘러싸인 강도가 없는 영역은 파동장의 골격을 구성하고 빛의 특성에 영향을 미칩니다. 1992년 세미나 논문에서 광학적 소용돌이와 빛의 궤도각운동량(OAM)의 긴밀한 연관성이 발견된 이후, 빛의 소용돌이의 아름다움을 밝히기 위한 상당한 연구가 진전되었습니다.

광통신, 양자 얽힘 및 암호화, 광학 트위징, 마이크로머신의 구동 토크, 회전 도플러 이동 및 이미징을 포함하여 고전 광학과 양자 광학 모두에서 광학 OAM의 수많은 응용이 발견되었습니다.

eLight에 발표된 새로운 논문에서 상하이 과학 기술 대학의 Qiwen Zhan 교수가 이끄는 과학자 팀은 빛의 시공간 소용돌이의 최신 개발을 조사했습니다.

광학 소용돌이는 방위각 위상 의존성을 특징으로 합니다. 각 광자가 전달하는 OAM은 위상 전하에 비례하며 양자화됩니다. 원형 편광 상태와 관련된 스핀 각 운동량(SAM)은 제한되어 있지만 광자당 OAM은 이론적으로 무한합니다. 빛의 각운동량의 방향은 일반적으로 전파 방향을 따릅니다.

10년 전, 가로 SAM에 대한 관심이 대두되었고, 가로로 회전하는 전기장이 강하게 집중된 빔과 소멸파에서 발견되었습니다. "광자 휠"이라는 단어는 SAM 방향과 전파 방향 간의 직교 관계를 설명합니다. 유사하게, 가로 OAM을 운반하는 광학 소용돌이는 빠르게 증가하는 관심을 끌었습니다.

기울어진 빛의 소용돌이는 특수 상대성 이론을 사용하여 예측되었습니다. 가로로 움직이는 관찰자는 빛의 속도에 가까운 공간적 광학 소용돌이를 기울어진 소용돌이로 봅니다. 전체 에너지의 작은 부분을 차지하는 시공간 광학 소용돌이(STOV)는 공기 중의 펨토초 필라멘트에서 처음으로 관찰되었습니다.

나중에 선형 광학을 사용하여 가로 OAM을 사용하여 제어 가능한 STOV 생성이 시연되었습니다. 가로 OAM의 SHG(2차 고조파 생성)가 보고되었으며 OAM의 보존이 입증되었습니다. 가로 OAM의 엄격한 계산과 가로 OAM과 SAM의 결합도 수행되었습니다.

메타표면과 광결정을 사용하여 STOV를 생성하도록 계획이 설계되었습니다. 의심할 여지 없이 STOV의 실험적 실현은 STOV에 대한 관심을 증가시키고 다양한 광학 현상에 대한 잠재적인 응용을 촉진해 왔습니다. 이 기사는 STOV와 관련된 최근의 발전에 초점을 맞추고 있다는 점에 유의해야 합니다. 보다 일반적인 시공간 파동 패킷과 구조화된 파동의 최신 개발에 관심이 있는 독자는 이 작업에 인용된 여러 리뷰 기사를 참조할 수 있습니다.

추가 정보: Chenhao Wan 외, 광학 시공간 소용돌이, eLight(2023). DOI: 10.1186/s43593-023-00042-6

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