vórtice óptico

Un vórtice óptico (también conocido como vórtice cuántico fotónico , dislocación helicoidal o singularidad de fase ) es un punto nulo de un campo óptico ; un punto de intensidad cero . El término también se utiliza para describir un haz de luz que contiene dicho punto nulo. El estudio de estos fenómenos se conoce como óptica singular .

El concepto de "vórtices ópticos" fue descrito por primera vez por Coullet et al. en 1989, basándose en soluciones de las ecuaciones de Maxwell-Bloch . ^{[ 1 ]} Según una revisión, los estudios realizados entre 1989 y 1999 se centraron principalmente en los fundamentos; los estudios realizados entre 1999 y 2009 desarrollaron numerosas aplicaciones; y los estudios realizados entre 2009 y 2019 lograron varios avances tecnológicos. ^{[ 1 ]}

En un vórtice óptico, la luz se retuerce como un sacacorchos alrededor de su eje de propagación. Debido a esta torsión, las ondas de luz en el propio eje se cancelan entre sí. Al proyectarse sobre una superficie plana, un vórtice óptico se ve como un anillo de luz con un agujero oscuro en el centro. Al vórtice se le asigna un número, llamado carga topológica , según la cantidad de giros que realiza la luz en una longitud de onda. Este número siempre es entero y puede ser positivo o negativo, dependiendo de la dirección de la torsión. Cuanto mayor sea el número de giros, más rápido gira la luz alrededor del eje.

Este giro transporta momento angular orbital con el tren de ondas e inducirá torque en un dipolo eléctrico . El momento angular orbital es distinto del momento angular de espín , más común, que produce polarización circular . ^{[ 2 ]} El momento angular orbital de la luz puede observarse en el movimiento orbital de partículas atrapadas. La interferencia de un vórtice óptico con una onda plana de luz revela la fase espiral como espirales concéntricas. El número de brazos en la espiral es igual a la carga topológica.

Los vórtices ópticos se estudian creándolos en el laboratorio de diversas maneras. Se pueden generar directamente en un láser, ^{[ 3 ] [ 4 ]} o se puede desviar un haz láser para formar un vórtice utilizando cualquiera de varios métodos, como hologramas generados por computadora, estructuras de retardo de fase en espiral o vórtices birrefringentes en materiales.

Es importante destacar que el momento angular de espín y orbital no está definido correctamente para los fotones. ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]} En el contexto de los haces de vórtice, estos términos corresponden a cantidades diferentes. Por el contrario, la proyección del momento angular total y la helicidad son cantidades adecuadas para caracterizar haces incluso fuera de la aproximación paraxial. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

Una singularidad óptica es un punto nulo de un campo óptico. La fase del campo circula alrededor de estos puntos de intensidad cero (de ahí el nombre de vórtice ). Los vórtices son puntos en campos bidimensionales y líneas en campos tridimensionales (ya que tienen codimensión dos). La integración de la fase del campo alrededor de una trayectoria que encierra un vórtice produce un múltiplo entero de 2π . Este número entero se conoce como la carga topológica, o intensidad, del vórtice.

Un modo hipergeométrico-gaussiano (HyGG) tiene un vórtice óptico en su centro. El haz, que tiene la forma

${\displaystyle \psi \propto e^{im\phi }e^{-r^{2}},\!}$

es una solución a la ecuación de onda paraxial (véase la aproximación paraxial y el artículo de óptica de Fourier para la ecuación real ) que consiste en la función de Bessel . Los fotones en un haz hipergeométrico-gaussiano tienen un momento angular orbital de mħ . El entero m también da la intensidad del vórtice en el centro del haz. El momento angular de espín de la luz polarizada circularmente se puede convertir en momento angular orbital. ^{[ 10 ]}

Los métodos para crear vórtices ópticos funcionan tomando una onda plana o un haz gaussiano y aumentando la fase de la onda en cada punto , donde es el momento angular orbital del haz y es el ángulo a lo largo del plano transversal a la dirección de propagación de la luz. ^{[ 11 ]} Los métodos de generación incluyen placas de fase espirales, hologramas, lentes de Fresnel espirales, lentes cilíndricas, moduladores espaciales de luz y placas q, entre otros. ^{[ 11 ]}${\displaystyle l\phi }$${\displaystyle l}$${\displaystyle \phi }$

• Las placas o espejos de fase espiral estáticos son piezas de cristal o plástico con forma de espiral, diseñadas específicamente para la carga topológica y la longitud de onda incidente deseadas. Son eficientes, pero costosos. Las placas de fase espiral ajustables se pueden fabricar moviendo una cuña entre dos lados de una pieza de plástico agrietada. Los espejos de fase espiral fuera del eje se pueden usar para la conversión de modos de láseres de alta potencia y ultracortos.
• Los hologramas generados por computadora (CGH) son el interferograma calculado entre una onda plana y un haz de Laguerre-Gauss, que se transfiere a una película. El CGH se asemeja a una rejilla de difracción lineal de Ronchi común , salvo por una dislocación en forma de horquilla. Un haz láser incidente crea un patrón de difracción con vórtices cuya carga topológica aumenta con el orden de difracción. El orden cero es gaussiano, y los vórtices tienen helicidad opuesta a cada lado de este haz no difractado. El número de puntas en la horquilla del CGH está directamente relacionado con la carga topológica del vórtice del primer orden de difracción. El CGH se puede blanquear para dirigir más intensidad al primer orden. El blanqueamiento lo transforma de una rejilla de intensidad a una rejilla de fase, lo que aumenta la eficiencia.

• La conversión de modo requiere modos de Hermite-Gauss (HG), que pueden generarse fácilmente dentro de la cavidad láser o externamente mediante métodos menos precisos. Un par de lentes astigmáticas introduce un desplazamiento de fase de Gouy que crea un haz LG con índices azimutales y radiales que dependen del modo HG de entrada.
• Un modulador espacial de luz es un dispositivo electrónico de cristal líquido controlado por computadora que puede crear vórtices dinámicos, conjuntos de vórtices y otros tipos de haces mediante la creación de un holograma con índices de refracción variables. ^{[ 12 ]} Este holograma puede ser un patrón en horquilla, una placa de fase espiral o algún patrón similar con carga topológica distinta de cero.
• Los espejos deformables compuestos por segmentos pueden utilizarse para crear vórtices de forma dinámica (a una velocidad de hasta unos pocos kHz ), incluso cuando se iluminan con láseres de alta potencia.
• Una placa q es una placa de cristal líquido birrefringente con una distribución azimutal del eje óptico local, que posee una carga topológica q en su defecto central. La placa q con carga topológica q puede generar un vórtice de carga en función de la polarización del haz incidente. ^{[ 13 ] [ 14 ]}${\displaystyle \pm 2q}$
• Una placa s es una tecnología similar a una placa q, que utiliza un láser UV de alta intensidad para grabar permanentemente un patrón birrefringente en vidrio de sílice con una variación azimutal en el eje rápido con carga topológica s. A diferencia de una placa q, cuya longitud de onda se puede ajustar modificando la tensión de polarización en el cristal líquido, una placa s solo funciona para una longitud de onda de luz.
• En frecuencias de radio, es muy sencillo generar un vórtice electromagnético (no óptico). Basta con disponer un anillo de antenas con un diámetro de una longitud de onda o mayor, de manera que el desfase de las antenas de transmisión varíe en un múltiplo entero de 2π alrededor del anillo.
• Las metasuperficies nanofotónicas pueden permitir la modulación de fase transversal para crear vórtices ópticos. ^{[ 15 ] [ 16 ]} Los haces de vórtice pueden generarse en el espacio libre ^{[ 17 ] [ 18 ]} o en un chip fotónico integrado. ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}
• Una lente espiral puede «[incorporar] los elementos necesarios para crear un vórtice óptico directamente en su superficie». ^{[ 22 ]} La espiralización de una dioptría puede lograr la multifocalidad , lo que permite —por ejemplo, en aplicaciones oftálmicas— una mayor agudeza en un amplio rango de distancias focales y niveles de luz. ^{[ 23 ]}

Un vórtice óptico, al ser fundamentalmente una estructura de fase, no puede detectarse únicamente a partir de su perfil de intensidad. Además, dado que los haces de vórtice del mismo orden presentan perfiles de intensidad prácticamente idénticos, no pueden caracterizarse únicamente a partir de sus distribuciones de intensidad. Por consiguiente, se emplean diversas técnicas interferométricas.

• La técnica más sencilla consiste en hacer interferir un haz de vórtice con una onda plana inclinada , lo que produce un interferograma en forma de horquilla. Al contar el número de horquillas en el patrón y sus orientaciones relativas, se puede estimar con precisión el orden del vórtice y su signo correspondiente. ^{[ 24 ]}
• Un haz de vórtice puede deformarse en su estructura lobular característica al pasar a través de una lente inclinada. Esto ocurre como resultado de una autointerferencia entre diferentes puntos de fase en un vórtice. Un haz de vórtice de orden l se dividirá en n = l + 1 lóbulos, aproximadamente alrededor de la profundidad de foco de una lente convexa inclinada. Además, la orientación de los lóbulos (diagonal derecha e izquierda) determina los órdenes de momento angular orbital positivo y negativo. ^{[ 25 ]}
• Un haz de vórtice genera una estructura lobular al interferir con un vórtice de signo opuesto. Sin embargo, esta técnica no ofrece ningún mecanismo para caracterizar los signos. Esta técnica puede emplearse colocando un prisma de Dove en una de las trayectorias de un interferómetro de Mach-Zehnder , bombeado con un perfil de vórtice. ^{[ 24 ]}

Los vórtices ópticos tienen una amplia variedad de aplicaciones en diversos campos de las comunicaciones y la imagen.

• Los planetas extrasolares solo se han detectado directamente hace poco tiempo , debido al brillo extremo de su estrella anfitriona. Se han logrado avances en la creación de un coronógrafo de vórtice óptico para observar directamente planetas con una relación de contraste demasiado baja con respecto a su estrella madre como para ser detectados con otras técnicas.
• Los vórtices ópticos se utilizan en pinzas ópticas para manipular partículas de tamaño micrométrico, como las células. Estas partículas pueden girar en órbitas alrededor del eje del haz mediante el momento angular orbital (OAM) . También se han creado micromotores utilizando pinzas de vórtice óptico.
• Los vórtices ópticos pueden mejorar significativamente el ancho de banda de comunicación. Por ejemplo, los haces de radio retorcidos podrían aumentar la eficiencia espectral de radio mediante el uso de un gran número de estados vorticiales. ^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]} La cantidad de "torsión" del frente de fase indica el número de estado del momento angular orbital, y los haces con diferente momento angular orbital son ortogonales. Dicha multiplexación basada en el momento angular orbital puede aumentar potencialmente la capacidad del sistema y la eficiencia espectral de la comunicación inalámbrica de ondas milimétricas. ^{[ 29 ]}
• De manera similar, los primeros resultados experimentales para la multiplexación del momento angular orbital en el dominio óptico han mostrado resultados en distancias cortas, ^{[ 30 ] [ 31 ]} pero aún faltan demostraciones a distancias más largas. El principal desafío que han enfrentado estas demostraciones es que las fibras ópticas convencionales cambian el momento angular de giro de los vórtices a medida que se propagan, y pueden cambiar el momento angular orbital cuando se doblan o se someten a tensión. Hasta ahora se ha demostrado la propagación estable de hasta 50 metros en fibras ópticas especiales. ^{[ 32 ]} Se ha demostrado que la transmisión en espacio libre de modos de momento angular orbital de la luz a una distancia de 143 km puede soportar la codificación de información con buena robustez. ^{[ 33 ]}
• Las computadoras actuales utilizan componentes electrónicos con dos estados: cero y uno. La computación cuántica podría usar la luz para codificar y almacenar información. Teóricamente, los vórtices ópticos poseen un número infinito de estados en el espacio libre, ya que no existe límite para la carga topológica. Esto podría permitir una manipulación de datos más rápida. La comunidad criptográfica también está interesada en los vórtices ópticos por la promesa de una comunicación de mayor ancho de banda, como se mencionó anteriormente.
• En microscopía óptica, los vórtices ópticos pueden utilizarse para lograr una resolución espacial superior a los límites de difracción normales mediante una técnica denominada microscopía de agotamiento por emisión estimulada (STED) . Esta técnica aprovecha la baja intensidad en la singularidad del centro del haz para agotar los fluoróforos alrededor de un área deseada con un haz de vórtice óptico de alta intensidad, sin agotar los fluoróforos en el área objetivo deseada. ^{[ 34 ]}
• Los vórtices ópticos también pueden transferirse directamente (de forma resonante) a fluidos de polaritones de luz y materia para estudiar la dinámica de los vórtices cuánticos en regímenes de interacción lineal o no lineal. ^{[ 35 ]}
• Los vórtices ópticos pueden identificarse en las correlaciones no locales de pares de fotones entrelazados. ^{[ 36 ]}

• Momento angular orbital de la luz

• Vídeo de la simulación de propagación de un elemento óptico difractivo de vórtice desde el campo cercano al campo lejano realizado por Holo/Or .
• Vórtices ópticos y pinzas ópticas en la Universidad de Glasgow.
• Lista maestra de Óptica Singular elaborada por Grover Swartzlander , Universidad de Arizona, Tucson.
• Coronógrafo de vórtice óptico , Gregory Foo et al., Universidad de Arizona, Tucson.
• Pinzas ópticas , David Grier, Universidad de Nueva York.
• Publicaciones seleccionadas sobre vórtices ópticos en la Universidad Nacional de Australia.
• "Todo un desastre: artículo de Scientific American " . Archivado del original el 15 de octubre de 2007. Consultado el 22 de agosto de 2007 .
• ""La luz 'torsionada' concentra más información en un solo fotón: artículo de New Scientist" .
• "Haces de luz en modos de orden superior" . Archivado del original el 17 de abril de 2017. Consultado el 22 de agosto de 2007 .
• "Cifrado de luz retorcida" .
• "Física retorcida: Científicos crean nudos de luz" . Fox News . 18 de enero de 2010.{{cite news}}: CS1 maint: servicio de archivado obsoleto ( enlace )