Abstrak
Vorteks merupakan gangguan berpusar yang biasa ditemui dalam alam semula jadi, daripada skala sangat kecil dalam pemeluwapan Bose-Einstein hingga skala kosmologi yang besar dalam galaksi pilin. Vorteks optik, yang umumnya dikaitkan dengan fasa pilin, mampu membawa momentum orbit sudut (OAM). OAM optik boleh berada dalam arah longitud jika fasa pilin berlingkar dalam domain ruang, atau dalam arah melintang jika fasa berputar dalam domain ruang-masa. Dalam artikel ini, kami mendemonstrasikan persilangan antara vorteks ruang-masa dan vorteks ruang dalam paket gelombang. Hasil daripada persilangan ini, paket gelombang mengandungi OAM condong yang memberikan darjah kebebasan tambahan kepada aplikasi yang memanfaatkan OAM foton.
Kata Kunci: momentum orbit sudut, vorteks ruang-masa, vorteks ruang, fasa pilin
Pengenalan
Vorteks, yang wujud di merata tempat dalam alam semula jadi, merupakan gangguan peredaran cecair, gas atau media lain. Ia telah ditemui dalam air bergelora, udara beredar di hujung sayap, galaksi berpusar, dan juga dalam optik [1]. Vorteks optik umumnya dikaitkan dengan muka gelombang pilin dengan ketunggalan fasa berintensiti sifar. Muka gelombang berlingkar ini menghasilkan komponen azimut vektor Poynting yang menyumbang kepada momentum orbit sudut (OAM) bersepadu yang menunjuk sepanjang paksi alur. Setiap foton membawa OAM sebanyak 𝑙ℏ di mana ℏ ialah pemalar Planck terkurang dan l ialah integer, yang umumnya dirujuk sebagai cas topologi [2]. Perkaitan alur vorteks dengan OAM optik telah merangsang banyak kajian teori dan eksperimen serta menemui pelbagai aplikasi dalam optik klasik dan kuantum [3-10].
Kajian teori terkini menunjukkan bahawa OAM optik tidak semestinya longitud tetapi boleh dicondongkan daripada paksi optik [11,12]. OAM condong ini boleh direalisasikan dengan pemerhati yang bergerak laju menghampiri kelajuan cahaya. Kemajuan eksperimen telah menunjukkan bahawa sebahagian kecil tenaga optik boleh beredar dalam satah ruang-masa melalui interaksi tak linear antara denyutan laser berkuasa amat tinggi dan udara [13]. Berbeza dengan OAM longitud yang dikaitkan dengan fasa pilin dalam domain ruang, OAM melintang berpunca daripada fasa pilin dalam domain ruang-masa yang berputar mengelilingi paksi berserenjang dengan arah perambatan. Walaupun telah diterokai secara eksperimen, mengawal dan memanipulasi fasa pilin dengan vektor Poynting beredar dalam satah ruang-masa secara linear masih merupakan tugas yang mencabar. Kesukaran ini baru-baru ini telah diatasi dengan membentuk fasa pilin dalam domain frekuensi ruang-frekuensi masa dan mengekalkan fasa pilin dalam domain ruang-masa melalui jelmaan Fourier ruang-masa dua dimensi [14-16].
Persilangan vorteks ruang telah dilaporkan dalam literatur [17]. Walau bagaimanapun, dinamik interaksi kekal pada titik persilangan dan tidak bergerak bersama alur. Dalam kerja ini, kami secara eksperimen mendemonstrasikan persilangan antara vorteks ruang-masa dan vorteks ruang dalam paket gelombang optik. Paket gelombang mengandungi kedua-dua dislokasi skru dan dislokasi tepi dalam fasa. Persilangan dua jenis vorteks optik yang berbeza mendedahkan aliran tenaga tiga dimensi yang menarik yang bergerak pada kelajuan cahaya. Gabungan OAM melintang yang dibawa oleh vorteks ruang-masa dan OAM longitud yang dibawa oleh vorteks ruang menghasilkan OAM condong relatif kepada paksi optik. Purata OAM tiga dimensi per foton kekal tidak berubah selepas perambatan dalam ruang bebas. OAM condong ini boleh dikawal sepenuhnya dari segi nilai dan orientasi melalui cas topologi kedua-dua jenis vorteks.
Latar Belakang Teori
Asas Vorteks Optik
Vorteks optik mewakili ketunggalan fasa dalam gelombang elektromagnet di mana fasa menjadi tidak tertakrif dan intensiti jatuh kepada sifar. Ketunggalan ini dicirikan oleh cas topologinya, yang menentukan bilangan kitaran fasa 2π di sekitar ketunggalan. Huraian matematik alur vorteks optik biasanya melibatkan mod Laguerre-Gaussian, yang mengandungi sebutan fasa pilin exp(ilφ), di mana l ialah cas topologi dan φ ialah sudut azimut.
Momentum Orbit Sudut dalam Fotonik
Momentum orbit sudut (OAM) cahaya timbul daripada struktur fasa heliks vorteks optik. Setiap foton dalam alur pembawa OAM memiliki momentum sudut lℏ, di mana l ialah cas topologi. OAM ini berbeza daripada momentum sudut spin yang dikaitkan dengan kutub bulat. Vektor Poynting dalam alur sedemikian mengikuti trajektori pilin, menghasilkan momentum orbit sudut yang ciri.
Vorteks Ruang-Masa
Vorteks ruang-masa mewakili perkembangan lebih terkini dalam fizik vorteks, di mana ketunggalan fasa wujud bukan hanya dalam ruang tetapi juga berevolusi dalam masa. Vorteks ini dicirikan oleh keupayaannya membawa OAM melintang, bermaksud vektor momentum sudut berserenjang dengan arah perambatan. Penjanaan vorteks ruang-masa biasanya melibatkan manipulasi tepat kedua-dua darjah kebebasan ruang dan masa dalam denyutan optik.