Dondoo
Vortesi ni misukosuko ya kuzunguka inayopatikana kawaida katika asili kuanzia kiwango kidogo sana katika mchanganyiko wa Bose-Einstein hadi kiwango kikubwa cha ulimwengu katika galaksi za spiral. Vortesi ya mwanga, ambayo kwa kawaida huhusishwa na awamu ya spiral, inaweza kubeba momentum ya angular ya orbital (OAM). OAM ya mwanga inaweza kuwa katika mwelekeo wa urefu ikiwa awamu ya spiral inajikunja katika eneo la anga, au katika mwelekeo wa kupenya ikiwa awamu inazunguka katika eneo la anga-na-wakati. Katika makala hii, tunaonyesha makutano ya vortesi za anga-na-wakati na vortesi za anga katika mfuko wa mawimbi. Kutokana na makutano haya, mfuko wa mawimbi hubeba OAM iliyoegeama ambayo hutoa kiwango cha ziada cha uhuru kwa matumizi yanayotumia OAM ya fotoni.
Maneno muhimu: momentum ya angular ya orbital, vortesi ya anga-na-wakati, vortesi ya anga, awamu ya spiral
Utangulizi
Vortesi, zilizoenea katika asili, ni misukosuko inayozunguka ya maji, gesi au vyombo vingine. Zimepatikana katika maji yaliyo na mkondo, hewa inayozunguka ncha za mabawa ya ndege, galaksi zinazozunguka na pia katika optiki [1]. Vortesi za mwanga kwa kawaida huhusishwa na mbele ya wimbi la spiral yenye upekee wa awamu wa ukali wa sifuri. Mbele ya wimbi iliyojikunja husababisha sehemu ya azimuthi ya vekta ya Poynting ambayo huchangia kwenye momentum ya angular ya orbital (OAM) inayoelekezwa kwenye mhimili wa mwale. Kila fotoni hubeba OAM ya 𝑙ℏ ambapo ℏ ni kiwango kidogo cha Planck na l ni namba kamili, inayoitwa kwa kawaida malipo ya topolojia [2]. Uhusiano wa miale ya vortesi na OAM ya mwanga umechochea utafiti mkubwa wa kinadharia na kielelezo na umeona matumizi mengi katika optiki ya kawaida na ya quantum [3-10].
Masomo ya hivi karibuni ya kinadharia yanaonyesha kuwa OAM ya mwanga haiwi ya lazima kuwa ya urefu lakini inaweza kuegekwa kwenye mhimili wa mwale [11,12]. OAM iliyoegeama inaweza kutekelezwa kwa mwangalizi anayesogea kwa kasi karibu na kasi ya mwanga. Maendeleo ya kielelezo yameonyesha kuwa sehemu ndogo ya nishati ya mwanga inaweza kuzunguka katika ndege ya anga-na-wakati katika mwingiliano usio wa mstari wa msukumo wa laser yenye nguvu sana na hewa [13]. Tofauti na OAM ya urefu ambayo huhusishwa na awamu ya spiral katika eneo la anga, OAM ya kupenya inatokana na awamu ya spiral katika eneo la anga-na-wakati ambayo inazunguka kwenye mhimili unaoelekea kinyume na mwelekeo wa usambazaji. Ingawa imepelekwa kielelezo, bado ni jukumu changamani kudhibiti na kuendesha awamu ya spiral yenye vekta ya Poynting inayozunguka katika ndege ya anga-na-wakati kwa njia ya mstari. Ugumu huo umeshindwa hivi karibuni kwa kuunda awamu ya spiral katika eneo la masafa ya anga-na-muda na kuhifadhi awamu ya spiral katika eneo la anga-na-wakati kupitia mabadiliko ya Fourier ya anga-na-wakati ya pande mbili [14-16].
Makutano ya vortesi za anga yameripotiwa katika vitabu [17]. Hata hivyo, mienendo ya mwingiliano inakaa kwenye sehemu ya makutano na haisafiri na mwale. Katika kazi hii, tunaonyesha kielelezo makutano ya vortesi za anga-na-wakati na vortesi za anga katika mfuko wa mawimbi ya mwanga. Mfuko wa mawimbi una mapungufu ya parafujo na makali katika awamu. Makutano ya aina mbili tofauti za vortesi za mwanga yanafunua mtiririko wa nishati wa pande tatu unaosafiri kwa kasi ya mwanga. Mchanganyiko wa OAM ya kupenya inayobebwa na vortesi za anga-na-wakati na OAM ya urefu inayobebwa na vortesi za anga husababisha OAM iliyoegeama ikilinganishwa na mhimili wa mwale. Wastani wa OAM wa pande tatu kwa kila fotoni hubaki bila kubadilika baada ya usambazaji katika anga huru. OAM iliyoegema inaweza kudhibitiwa kikamilifu kwa thamani na mwelekeo kupitia malipo ya topolojia ya aina mbili za vortesi.
Msingi wa Kinadharia
Misingi ya Vortesi za Mwanga
Vortesi za mwanga zinawakilisha upekee wa awamu katika mawimbi ya sumakuumeme ambapo awamu inakuwa haijafafanuliwa na ukali hupungua hadi sifuri. Upekee huu unajulikana kwa malipo yake ya topolojia, ambayo huamua idadi ya mizunguko ya awamu ya 2π karibu na upekee. Maelezo ya hisabati ya mwale wa vortesi wa mwanga kwa kawaida huhusisha aina za Laguerre-Gaussian, ambazo zina neno la awamu la spiral exp(ilφ), ambapo l ni malipo ya topolojia na φ ni pembe ya azimuth.
Momentum ya Angular ya Orbital katika Fotoniki
Momentum ya angular ya orbital (OAM) ya mwanga inatoka kwa muundo wa awamu wa helical wa vortesi za mwanga. Kila fotoni katika mwale unaobeba OAM ina momentum ya angular ya lℏ, ambapo l ni malipo ya topolojia. OAM hii ni tofauti na momentum ya angular ya spin inayohusishwa na uongozi wa mviringo. Vekta ya Poynting katika miale kama hii inafuata njia ya spiral, na kusababisha sifa ya momentum ya angular ya orbital.
Vortesi za Anga-na-Wakati
Vortesi za anga-na-wakati zinawakilisha maendeleo ya hivi karibuni katika fizikia ya vortesi, ambapo upekee wa awamu upo sio tu katika anga lakini pia unabadilika kwa wakati. Vortesi hizi zinajulikana kwa uwezo wao wa kubeba OAM ya kupenya, ikimaanisha kuwa vekta ya momentum ya angular inaelekea kinyume na mwelekeo wa usambazaji. Uundaji wa vortesi za anga-na-wakati kwa kawaida huhusisha usimamizi sahihi wa viwango vya uhuru vya anga na vya muda katika misukumo ya mwanga.