Neues Laserexperiment lässt Licht wie ein Karussell rotieren

Im Alltag scheint Licht nicht greifbar zu sein. Wir gehen hindurch und erzeugen und löschen es mit einem Knopfdruck. Aber wie die Materie hat auch das Licht tatsächlich eine kleine Schlagkraft – es hat Schwung. Licht bewegt ständig Dinge und kann sogar zum Antreiben von Raumfahrzeugen verwendet werden. Licht kann auch Objekte drehen, wenn es einen orbitalen Drehimpuls (OAM) trägt – die Eigenschaft, die mit der Tendenz eines rotierenden Objekts verbunden ist, sich weiter zu drehen.

Wissenschaftler wissen seit den frühen 90er Jahren, dass Licht OAM haben kann, und sie haben entdeckt, dass das OAM des Lichts mit Wirbeln oder Wirbeln in der Phase des Lichts zusammenhängt – der Position der Spitzen oder Täler der elektromagnetischen Wellen, aus denen das Licht besteht . Ursprünglich konzentrierte sich die OAM-Forschung auf Wirbel, die im Querschnitt eines Lichtstrahls existieren – die Phasendrehung wie der Propeller eines Flugzeugs, das entlang der Lichtbahn fliegt.

Aber in den letzten Jahren haben Physiker am UMD unter der Leitung von UMD-Physikprofessor Howard Milchberg entdeckt, dass Licht sein OAM in einem zur Seite gedrehten Wirbel tragen kann – die Phase dreht sich wie ein Rad an einem Auto und rollt mit dem Licht mit. Die Forscher nannten diese Lichtstrukturen spatio-temporale optische Wirbel (STOVs) und beschrieben den Impuls, den sie tragen, als transversale OAM.

„Vor unseren Experimenten wusste man nicht, dass Lichtteilchen – Photonen – seitwärts gerichtete OAM haben könnten“, sagt Milchberg. „Kollegen hielten es zunächst für seltsam oder falsch. Mittlerweile wächst die Forschung zu STOVs weltweit rasant, mit möglichen Anwendungen in Bereichen wie optischer Kommunikation, nichtlinearer Optik und exotischen Formen der Mikroskopie.“

In einem Artikel veröffentlicht im Tagebuch Körperliche Untersuchung Xbeschreibt das Team eine neuartige Technik, mit der es die transversale OAM eines Lichtimpulses während seiner Ausbreitung verändert. Ihre Methode erfordert einige Laborgeräte, wie zum Beispiel spezielle Laser, aber in vielerlei Hinsicht ähnelt sie dem Drehen eines Karussells auf dem Spielplatz oder dem Drehen eines Schraubenschlüssels.

„Da STOVs ein neues Gebiet sind, besteht unser Hauptziel darin, ein grundlegendes Verständnis ihrer Funktionsweise zu erlangen. Und eine der besten Möglichkeiten, dies zu erreichen, besteht darin, sich mit ihnen auseinanderzusetzen“, sagt Scott Hancock, ein Postdoktorand der UMD-Physik und Erstautor von das Papier. „Was sind grundsätzlich die physikalischen Regeln für die Änderung der transversalen OAM eines Lichtpulses?“

In früheren Arbeiten beschrieben Milchberg, Hancock und Kollegen, wie sie Lichtimpulse erzeugten und beobachteten, die transversale OAM übertragen, und in einem Artikel, der in veröffentlicht wurde Briefe zur körperlichen Untersuchung Im Jahr 2021 stellten sie eine Theorie vor, die beschreibt, wie dieses OAM berechnet wird, und einen Fahrplan für die Änderung des transversalen OAM eines STOV bereitstellt.

Die in der Theorie des Teams beschriebenen Konsequenzen unterscheiden sich nicht wesentlich von der Physik, wenn Kinder auf einem Spielplatz sind. Wenn Sie ein Karussell drehen, ändern Sie den Drehimpuls, indem Sie es schieben, und die Wirksamkeit eines Stoßes hängt davon ab, wo Sie die Kraft anwenden – Sie erzielen nichts, wenn Sie die Achse nach innen drücken, und die größte Veränderung erzielen Sie, wenn Sie seitwärts schieben der äußere Rand.

Auch die Masse des Karussells und alles darauf hat Einfluss auf den Drehimpuls. Wenn Kinder beispielsweise von einem fahrenden Karussell springen, nehmen sie einen Teil des Drehimpulses mit, sodass das Karussell leichter anzuhalten ist.

Die Theorie des Teams zum transversalen OAM des Lichts sieht der Physik, die die Drehung eines Karussells bestimmt, sehr ähnlich. Ihr Karussell ist jedoch eine Scheibe aus Lichtenergie, die in einer Raum- und einer Zeitdimension statt in zwei Raumdimensionen angeordnet ist und deren Achse sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt.

Ihre Theorie sagt voraus, dass der Druck auf verschiedene Teile eines Karussell-Lichtpulses seine transversale OAM um unterschiedliche Beträge verändern kann und dass, wenn ein bisschen Licht an einem Staubkorn gestreut wird und den Puls verlässt, der Puls etwas transversales verliert OAM damit.

Das Team konzentrierte sich darauf, zu testen, was passierte, als es den transversalen OAM-Wirbeln einen Schubs gab. Doch das Ändern der transversalen OAM eines Lichtpulses ist nicht so einfach wie das kräftige Anschieben eines Karussells; Es gibt keine Materie, an der man festhalten und eine Kraft anwenden kann. Um die transversale OAM eines Lichtimpulses zu ändern, müssen Sie dessen Phase ändern.

Während sich Licht durch den Raum bewegt, verschiebt sich seine Phase auf natürliche Weise, und wie schnell sich die Phase ändert, hängt vom Brechungsindex des Materials ab, durch das das Licht wandert. Daher sagten Milchberg und das Team voraus, dass, wenn sie eine schnelle Änderung des Brechungsindex an ausgewählten Stellen im vorbeifliegenden Puls bewirken könnten, dieser Teil des Pulses schwanken würde.

Wenn jedoch der gesamte Puls den Bereich mit einem neuen Brechungsindex durchquert, wird sich die OAM laut ihrer Prognose nicht ändern – so, als ob jemand auf der anderen Seite eines Karussells versucht, es zu verlangsamen, während Sie es tun versuche es zu beschleunigen.

Um ihre Theorie zu testen, musste das Team die Fähigkeit entwickeln, einen kleinen Abschnitt eines Impulses zu bewegen, der sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt. Glücklicherweise hatte Milchbergs Labor bereits die entsprechenden Werkzeuge erfunden. In mehreren früheren Experimenten hat die Gruppe Licht manipuliert, indem sie Laser zur schnellen Erzeugung von Plasmen eingesetzt hat – einer Phase der Materie, in der Elektronen aus ihren Atomen herausgerissen wurden. Der Prozess ist nützlich, weil das Plasma einen neuen Brechungsindex mit sich bringt.

In dem neuen Experiment verwendete das Team einen Laser, um schmale Plasmasäulen zu erzeugen, die sie als transiente Drähte bezeichneten. Sie sind klein genug und entstehen schnell genug, um bestimmte Regionen des Pulses während des Flugs anzuvisieren. Der Brechungsindex eines transienten Drahtes spielt die Rolle eines Kindes, das das Karussell schiebt.

Die Forscher erzeugten den transienten Draht und richteten alle Strahlen sorgfältig aus, sodass der Draht genau den gewünschten Abschnitt des OAM-tragenden Impulses abfing. Nachdem ein Teil des Impulses durch den Draht gelaufen war und einen Impuls erhalten hatte, erreichte der Impuls einen speziellen optischen Impulsanalysator, den das Team erfunden hatte. Wie vorhergesagt, stellten die Forscher bei der Analyse der gesammelten Daten fest, dass der Brechungsindexwechsel die transversale OAM des Pulses veränderte.

Anschließend nahmen sie geringfügige Anpassungen an der Ausrichtung und dem Timing des Transientendrahts vor, um auf verschiedene Teile des Lichtimpulses abzuzielen. Das Team führte mehrere Messungen durch, bei denen der transiente Draht die Ober- und Unterseite von zwei Arten von Impulsen kreuzte: STOVs, die bereits transversales OAM trugen, und ein zweiter Typ namens Gauß-Impuls ohne jegliches OAM.

In den beiden Fällen, in denen ein sich bereits drehendes oder stationäres Karussell geschoben wurde, stellten sie fest, dass der stärkste Schub durch die Anwendung der vorübergehenden Drahtbewegung in der Nähe der Ober- und Unterkante des Lichtimpulses erzielt wurde.

Für jede Position passten sie auch das Timing des transienten Drahtlasers bei verschiedenen Durchgängen an, sodass unterschiedliche Impulsmengen durch das Plasma wanderten und der Wirbel einen unterschiedlich starken Stoß erhielt. Forscher, die zuvor Lichtwirbel erzeugten, die sie als „Kanten-zuerst fliegende Donuts“ bezeichnen, haben nun Experimente durchgeführt, bei denen sie den Weg der Wirbel während des Fluges stören, um Änderungen ihres Impulses zu untersuchen. Bildnachweis: Intense Laser-Matter Interactions Lab, UMD

Forscher, die zuvor Lichtwirbel erzeugten, die sie als „Kanten-zuerst fliegende Donuts“ bezeichnen, haben nun Experimente durchgeführt, bei denen sie den Weg der Wirbel während des Fluges stören, um Änderungen ihres Impulses zu untersuchen. Bildnachweis: Intense Laser-Matter Interactions Lab, UMD

Das Team zeigte außerdem, dass das Drücken mit der Drehung OAM hinzufügt und das Drücken dagegen das OAM entfernt, ähnlich wie bei einem Karussell. Da sich gegenüberliegende Kanten des optischen Karussells in entgegengesetzte Richtungen bewegen, könnte der Plasmadraht beide Rollen erfüllen, indem er seine Position ändert, obwohl er immer in die gleiche Richtung gedrückt wird. Die Gruppe sagt, dass die Berechnungen, die sie anhand ihrer Theorie durchgeführt haben, hervorragend mit den Ergebnissen ihres Experiments übereinstimmen.

„Es stellt sich heraus, dass ultraschnelles Plasma einen Präzisionstest unserer transversalen OAM-Theorie darstellt“, sagt Milchberg. „Es registriert eine messbare Störung des Pulses, aber keine so starke Störung, dass der Puls völlig durcheinander geraten würde.“

Das Team plant, die mit der transversalen OAM verbundenen Physik weiter zu erforschen. Die von ihnen entwickelten Techniken könnten neue Erkenntnisse darüber liefern, wie sich OAM im Laufe der Zeit während der Wechselwirkung eines intensiven Laserstrahls mit Materie verändert (wo Milchbergs Labor erstmals transversale OAM entdeckte).

Die Gruppe plant, Anwendungen von transversaler OAM zu untersuchen, beispielsweise die Kodierung von Informationen in wirbelnde Lichtimpulse. Ihre Ergebnisse aus diesem Experiment zeigen, dass die natürlich vorkommenden Schwankungen im Brechungsindex der Luft zu langsam sind, um die transversale OAM eines Impulses zu verändern und alle darin enthaltenen Informationen zu verzerren.

„Die Forschung befindet sich noch in einem frühen Stadium“, sagt Hancock. „Es ist schwer zu sagen, wohin es führen wird. Es scheint jedoch vielversprechend für die Grundlagenphysik und Anwendungen zu sein. Es spannend zu nennen ist eine Untertreibung.“