Neue Technik misst strukturiertes Licht in einer einzigen Aufnahme

Strukturierte Lichtwellen mit spiralförmigen Phasenfronten tragen einen Bahndrehimpuls (OAM), der auf die Rotationsbewegung von Photonen zurückzuführen ist. In jüngster Zeit nutzen Wissenschaftler Lichtwellen mit OAM, und diese speziellen „helicalen“ Lichtstrahlen sind in verschiedenen fortschrittlichen Technologien wie Kommunikation, Bildgebung und Quanteninformationsverarbeitung sehr wichtig geworden. Bei diesen Technologien ist es entscheidend, die genaue Struktur dieser speziellen Lichtstrahlen zu kennen. Dies hat sich jedoch als recht knifflig erwiesen.

Interferometrie – Überlagerung eines Lichtfelds mit einem bekannten Referenzfeld, um Informationen aus der Interferenz zu extrahieren – kann mithilfe einer Kamera Informationen zum OAM-Spektrum abrufen. Da die Kamera nur die Intensität der Interferenz aufzeichnet, kommt es bei der Messtechnik zu zusätzlichem Übersprechen, der sogenannten „Signal-Signal-Beat-Interferenz“ (SSBI), was den Abrufprozess erschwert. Es ist, als würde man mehrere überlappende Töne hören, was es schwierig macht, die Originalnoten zu unterscheiden.

In einem kürzlich veröffentlichten Durchbruch wurde berichtet Fortgeschrittene PhotonikForscher der Sun Yat-sen-Universität und der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) verwendeten ein leistungsstarkes mathematisches Werkzeug namens Kramers-Kronig (KK)-Relation, das beim Verständnis und der Lösung des Problems hilft. Dieses Tool ermöglichte es ihnen, das komplexe spiralförmige Lichtmuster aus den reinen Intensitätsmessungen der Kamera zu entwirren, um sie in einer einfachen On-Axis-Interferometrie in Einzelaufnahmen abzurufen. Sie erforschen die Dualität zwischen den Zeit-Frequenz- und Azimut-OAM-Domänen und wenden den KK-Ansatz an, um verschiedene OAM-Felder zu untersuchen, darunter selbstabgebildete Talbot-Blütenblätter und fraktionierte OAM-Modi.

Die neue Messtechnik hat großes Potenzial für die Weiterentwicklung von Technologien, die auf diesen speziellen Lichtmustern basieren. Laut dem korrespondierenden Autor Jianqi Hu, jetzt Postdoktorand am Laboratoire Kastler Brossel, École Normale Supérieure, Frankreich, „kann die vorgeschlagene Methode auch für OAM-Strahlen mit komplexen radialen Strukturen verallgemeinert werden, was sie zu einer leistungsstarken Technik für die Echtzeitmessung von strukturiertem Licht macht.“ Felder, einfach durch einen Schnappschuss mit einer Kamera.

Im Vergleich zur herkömmlichen On-Axis-Interferometrie beschleunigt die von den Forschern demonstrierte KK-Methode die Messung nicht nur, sondern macht sie auch deutlich einfacher und kostengünstiger. Dank dieser neuen Technik haben Wissenschaftler ein leistungsstarkes Mittel erhalten, um die Geheimnisse strukturierter Lichtwellen mit OAM zu entschlüsseln. Dieser Durchbruch hat das Potenzial, verschiedene Technologien zu revolutionieren und den Weg für aufregende Fortschritte auf dem Gebiet des strukturierten Lichts in naher Zukunft zu ebnen.