요약
와류는 보스-아인슈타인 응축체에서의 극미규모부터 나선은하에서의 우주적 규모에 이르기까지 자연계에서 흔히 관찰되는 소용돌이 형태의 교란 현상입니다. 일반적으로 나선형 위상과 연관된 광학 와류는 궤도 각운동량(OAM)을 운반할 수 있습니다. 광학 OAM은 공간 영역에서 나선형 위상이 꼬이는 경우 종방향으로, 시공간 영역에서 위상이 회전하는 경우 횡방향으로 존재할 수 있습니다. 본 논문에서는 파동 패킷 내에서 시공간 와류와 공간 와류의 교차 현상을 입증합니다. 이러한 교차의 결과로, 파동 패킷은 광자의 OAM을 활용하는 응용 분야에 추가적인 자유도를 제공하는 기울어진 OAM을 지니게 됩니다.
키워드: 궤도 각운동량, 시공간 와류, 공간 와류, 나선형 위상
서론
자연계에 폭넓게 존재하는 와류는 액체, 기체 또는 기타 매질의 순환적 교란 현상입니다. 이는 난류 수류, 날개 끝을 둘러싼 순환 기류, 나선은하 및 광학 분야에서도 발견되어 왔습니다 [1]. 광학 와류는 일반적으로 강도가 0인 위상 특이점을 가진 나선형 파면과 연관되어 있습니다. 꼬인 파면은 포인팅 벡터의 방위각 성분을 발생시켜 빔 축을 따라 방향된 총궤도 각운동량(OAM)에 기여합니다. 각 광자는 𝑙ℏ의 OAM을 운반하며, 여기서 ℏ는 환산 플랑크 상수이고 l은 일반적으로 위상적 전하로 불리는 정수입니다 [2]. 와류 빔과 광학 OAM의 연관성은 상당한 이론 및 실험 연구를 촉진하였으며 고전 및 양자 광학 분야에서 다양한 응용이 발견되었습니다 [3-10].
최근 이론 연구들은 광학 OAM이 종방향일 필요가 없으며 광축에 대해 기울어질 수 있음을 보여주고 있습니다 [11,12]. 기울어진 OAM은 광속에 가까운 속도로 이동하는 빠른 관찰자에 의해 실현될 수 있습니다. 실험적 진전은 극고출력 레이저 펄스와 공기의 비선형 상호작용에서 광 에너지의 일부가 시공간 평면에서 순환할 수 있음을 보여주었습니다 [13]. 공간 영역의 나선형 위상과 연관된 종방향 OAM과 달리, 횡방향 OAM은 전파 방향에 수직인 축을 중심으로 회전하는 시공간 영역의 나선형 위상에 기반을 둡니다. 실험적으로 탐구되었음에도 불구하고, 시공간 평면에서 순환하는 포인팅 벡터를 가진 나선형 위상을 선형적으로 제어하고 조작하는 것은 여전히 어려운 과제입니다. 이러한 어려움은 최근 공간 주파수-시간 주파수 영역에서 나선형 위상을 형성하고 2차원 시공간 푸리에 변환을 통해 시공간 영역에서 나선형 위상을 유지함으로써 극복되었습니다 [14-16].
공간 와류의 교차 현상은 문헌에 보고된 바 있습니다 [17]. 그러나 상호작용 역학은 교차점에 머물며 빔과 함께 이동하지 않습니다. 본 연구에서는 광파 패킷 내에서 시공간 와류와 공간 와류의 교차를 실험적으로 입증합니다. 이 파동 패킷은 위상에서 나선형 및 가장자리 결함을 모두 포함합니다. 두 가지 유형의 광학 와류 교차는 광속으로 이동하는 흥미로운 3차원 에너지 흐름을 나타냅니다. 시공간 와류가 운반하는 횡방향 OAM과 공간 와류가 운반하는 종방향 OAM의 결합은 광축에 대해 기울어진 OAM을 발생시킵니다. 광자당 평균 3차원 OAM은 자유 공간에서 전파한 후에도 변하지 않습니다. 기울어진 OAM의 크기와 방향은 두 유형 와류의 위상적 전하를 통해 완전히 제어 가능합니다.
이론적 배경
광학 와류의 기초
광학 와류는 전자기파에서 위상이 정의되지 않고 강도가 0으로 떨어지는 위상 특이점을 나타냅니다. 이러한 특이점은 위상적 전하에 의해 특징지어지며, 이는 특이점 주위의 2π 위상 주기 수를 결정합니다. 광학 와류 빔의 수학적 설명은 일반적으로 라게르-가우시안 모드를 포함하며, 여기에는 나선형 위상 항 exp(ilφ)이 포함되어 있습니다. 여기서 l은 위상적 전히고 φ는 방위각입니다.
포토닉스에서의 궤도 각운동량
빛의 궤도 각운동량(OAM)은 광학 와류의 나선형 위상 구조에서 비롯됩니다. OAM을 운반하는 빔의 각 광자는 lℏ의 각운동량을 가지며, 여기서 l은 위상적 전하입니다. 이 OAM은 원형 편광과 연관된 스핀 각운동량과 구별됩니다. 이러한 빔에서 포인팅 벡터는 나선형 궤적을 따르며, 특징적인 궤도 각운동량을 발생시킵니다.
시공간 와류
시공간 와류는 위상 특이점이 공간적으로만 존재하는 것이 아니라 시간에 따라 진화하는 와류 물리학의 최근 발전을 나타냅니다. 이러한 와류는 횡방향 OAM을 운반할 수 있는 능력으로 특징지어지며, 이는 각운동량 벡터가 전파 방향에 수직임을 의미합니다. 시공간 와류의 생성은 일반적으로 광학 펄스에서 공간 및 시간 자유도의 정밀한 조작을 수반합니다.