Résumé
Les vortex sont des perturbations tourbillonnaires couramment observées dans la nature, allant d'échelles extrêmement petites dans les condensats de Bose-Einstein à des échelles cosmologiquement colossales dans les galaxies spirales. Un vortex optique, généralement associé à une phase spirale, peut transporter un moment angulaire orbital (OAM). L'OAM optique peut être longitudinal si la phase spirale s'enroule dans le domaine spatial, ou transversal si la phase tourne dans le domaine spatiotemporel. Dans cet article, nous démontrons l'intersection de vortex spatiotemporels et de vortex spatiaux dans un paquet d'ondes. Cette intersection confère au paquet d'ondes un OAM incliné qui offre un degré de liberté supplémentaire aux applications exploitant l'OAM des photons.
Mots-clés : moment angulaire orbital, vortex spatiotemporel, vortex spatial, phase spirale
Introduction
Les vortex, omniprésents dans la nature, sont des perturbations circulatoires de liquides, de gaz ou d'autres milieux. Ils ont été observés dans l'eau turbulente, l'air circulant autour des extrémités d'ailes, les galaxies spirales et également en optique [1]. Les vortex optiques sont généralement associés à un front d'onde spiral présentant des singularités de phase d'intensité nulle. Le front d'onde hélicoïdal génère une composante azimutale du vecteur de Poynting qui contribue à un moment angulaire orbital (OAM) intégré dirigé le long de l'axe du faisceau. Chaque photon transporte un OAM de 𝑙ℏ où ℏ est la constante de Planck réduite et l est un entier, généralement appelé charge topologique [2]. Le lien entre les faisceaux vortex et l'OAM optique a stimulé d'importantes recherches théoriques et expérimentales et a trouvé de nombreuses applications en optique classique et quantique [3-10].
Des études théoriques récentes montrent que l'OAM optique n'est pas nécessairement longitudinal mais peut être incliné par rapport à l'axe optique [11,12]. L'OAM incliné pourrait être réalisé avec un observateur se déplaçant rapidement à une vitesse proche de celle de la lumière. Des progrès expérimentaux ont montré qu'une faible fraction de l'énergie optique peut circuler dans un plan spatiotemporel lors de l'interaction non linéaire d'une impulsion laser extrêmement puissante avec l'air [13]. Contrairement à l'OAM longitudinal associé à une phase spirale dans le domaine spatial, l'OAM transversal provient d'une phase spirale dans le domaine spatiotemporel tournant autour d'un axe perpendiculaire à la direction de propagation. Bien qu'exploré expérimentalement, le contrôle et la manipulation d'une phase spirale avec un vecteur de Poynting circulant dans un plan spatiotemporel de manière linéaire reste une tâche difficile. Cette difficulté a récemment été surmontée en formant une phase spirale dans le domaine fréquence spatiale-fréquence temporelle et en conservant la phase spirale dans le domaine spatiotemporel via une transformée de Fourier spatiotemporelle bidimensionnelle [14-16].
L'intersection de vortex spatiaux a été rapportée dans la littérature [17]. Cependant, la dynamique d'interaction reste au point d'intersection et ne se propage pas avec le faisceau. Dans ce travail, nous démontrons expérimentalement l'intersection de vortex spatiotemporels et de vortex spatiaux dans un paquet d'ondes optiques. Le paquet d'ondes contient à la fois des dislocations vis et coin dans la phase. L'intersection de deux types distincts de vortex optiques révèle un flux d'énergie tridimensionnel intéressant qui se propage à la vitesse de la lumière. La combinaison de l'OAM transversal porté par les vortex spatiotemporels et de l'OAM longitudinal porté par les vortex spatiaux donne naissance à un OAM incliné par rapport à l'axe optique. L'OAM tridimensionnel moyen par photon reste inchangé après propagation dans l'espace libre. L'OAM incliné est entièrement contrôlable en valeur et en orientation via les charges topologiques des deux types de vortex.
Contexte théorique
Fondamentaux des vortex optiques
Les vortex optiques représentent des singularités de phase dans les ondes électromagnétiques où la phase devient indéfinie et l'intensité chute à zéro. Ces singularités sont caractérisées par leur charge topologique, qui détermine le nombre de cycles de phase 2π autour de la singularité. La description mathématique d'un faisceau vortex optique implique généralement les modes de Laguerre-Gauss, qui contiennent un terme de phase spirale exp(ilφ), où l est la charge topologique et φ est l'angle azimutal.
Moment angulaire orbital en photonique
Le moment angulaire orbital (OAM) de la lumière provient de la structure de phase hélicoïdale des vortex optiques. Chaque photon dans un faisceau porteur d'OAM possède un moment angulaire de lℏ, où l est la charge topologique. Cet OAM est distinct du moment angulaire de spin associé à la polarisation circulaire. Le vecteur de Poynting dans de tels faisceaux suit une trajectoire spirale, résultant en le moment angulaire orbital caractéristique.
Vortex spatiotemporels
Les vortex spatiotemporels représentent un développement plus récent en physique des vortex, où l' singularité de phase existe non seulement dans l'espace mais évolue également dans le temps. Ces vortex sont caractérisés par leur capacité à transporter un OAM transversal, ce qui signifie que le vecteur de moment angulaire est perpendiculaire à la direction de propagation. La génération de vortex spatiotemporels implique généralement la manipulation précise des degrés de liberté spatiaux et temporels dans les impulsions optiques.