Examen des derniers développements des tourbillons spatio-temporels de lumière

31 mai 2023

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par l'Académie chinoise des sciences

Les vortex de lumière, régions nulles d'intensité entourées de phases spirales, constituent le squelette d'un champ d'onde et influencent les propriétés de la lumière. Depuis la découverte de la connexion étroite des vortex optiques et du moment angulaire orbital (OAM) de la lumière dans l'article fondateur de 1992, des progrès de recherche considérables ont été réalisés pour dévoiler la beauté des vortex de lumière.

De nombreuses applications de l'OAM optique ont été découvertes dans l'optique classique et quantique, notamment la communication optique, l'intrication quantique et la cryptographie, la pince optique, le couple d'entraînement pour une micromachine, le décalage Doppler rotationnel et l'imagerie.

Dans un nouvel article publié dans eLight, une équipe de scientifiques dirigée par le professeur Qiwen Zhan de l'Université de Shanghai pour la science et la technologie a examiné les derniers développements des vortex spatio-temporels de lumière.

Les tourbillons optiques présentent une dépendance de phase azimutale. L'OAM porté par chaque photon est proportionnel à la charge topologique et quantifié. Le moment cinétique de spin (SAM), associé aux états de polarisation circulaire, est limité, mais l'OAM par photon est théoriquement illimité. La direction du moment cinétique de la lumière est généralement dirigée le long de la direction de propagation.

Il y a dix ans, l'intérêt pour le SAM transversal a émergé et des champs électriques à rotation transversale ont été découverts dans des faisceaux fortement focalisés et des ondes évanescentes. Le mot "roue photonique" décrit la relation orthogonale entre la direction SAM et la direction de propagation. De manière analogue, les tourbillons optiques porteurs d'OAM transverse ont suscité un intérêt croissant.

Les tourbillons de lumière inclinés ont été prédits à l'aide de la théorie spéciale de la relativité. Un observateur se déplaçant transversalement voit un vortex optique spatial proche de la vitesse de la lumière comme un vortex incliné. Des tourbillons optiques spatio-temporels (STOV), occupant une petite fraction de l'énergie totale, ont d'abord été observés dans des filaments femtosecondes dans l'air.

Plus tard, la génération contrôlable de STOV avec OAM transverse a été démontrée en utilisant l'optique linéaire. La génération de deuxième harmonique (SHG) de l'OAM transverse a été rapportée et la conservation de l'OAM démontrée. Le calcul rigoureux de l'OAM transverse et le couplage de l'OAM transverse et du SAM ont également été réalisés.

Des schémas ont été conçus pour générer des STOV à l'aide de métasurfaces et de cristaux photoniques. Sans aucun doute, la réalisation expérimentale des STOV a suscité l'intérêt croissant pour les STOV et stimulé leurs applications potentielles dans divers phénomènes optiques. A noter que cet article se concentre sur les avancées très récentes liées aux STOV. Les lecteurs intéressés par les derniers développements des paquets d'ondes spatio-temporelles plus généraux et des ondes structurées peuvent se référer à plusieurs articles de synthèse cités dans cet ouvrage.

Plus d'information: Chenhao Wan et al, Tourbillons spatio-temporels optiques, eLight (2023). DOI : 10.1186/s43593-023-00042-6

Fourni par l'Académie chinoise des sciences