презентация-ppt (14Мб)
advertisement
Поляризационная оптика: история и перспективы Наталия Д. Кундикова Вузовско-академическая лаборат ория нелинейной опт ики Инст ит ут а элект рофизики УрО РАН и Южно-Уральского государст венного университ ет а Челябинск Вузовско-академическая лаборатория нелинейной оптики Института электрофизики УрО РАН и Южно-Уральского государственного университета Южно-Уральский государственного университет Челябинск Спин-орбитальное взаимодействие фотона Часть 2 Спин-орбитальное взаимодействие электрона Спин-орбитальное взаимодействие фотона Эффект Зеемана ? • Классическая оптика: • Квантовая оптика: – Поляризация света – Спин фотона (спиновый момент) – Пространственное распределение – Орбитальный момент фотона Спин фотона (спиновый момент) Представление поляризованного света Эллипт ичност ь и угол эллипт ичност и Сфера Пуанкаре Представление поляризованного света Доля фотонов со спином 1 Доля фотонов со спином Эллипт ичност ь и угол эллипт ичност и 0 Циркулярная поляризация 45 Линейная поляризация 1 Передача спинового момента среде Richard A. Beth, Phys. Rev., 1936 Передача спинового момента среде +h -h Richard A. Beth, Phys. Rev., 1936 Орбитальный момент фотона Траектория луча dr = s, dl ds = Ñ ln n - s (s ×Ñ ln n) dl Оптически неоднородная среда Траектория луча Оптически неоднородная среда Импульс фотона æw ö p = h çç ÷ n r ( ) ÷ ÷ çè c ø M = r ×p - Момент импульс фотона Момент импульса фотона L.Allen, M.W.Beijersbergen, R.J.C.Spreeuw, J.P.Woerdman, Phys.Rev.A, 1992 Момент импульса фотона Пучок Лагерра-Гаусса в свободном пространстве l u pl (r , f , z ) = C (1 + z 2 z 2 12 R ) ér 2 ù é 2r 2 ù ê ú Ll ê ú êw (z )ú p êw2 (z )ú êë ú ú û êë û é - r 2 ù é - ikr 2 z ù ê úexp (- ilf ) ´ exp êê 2 ú exp ú ê2 (z 2 + z 2 )ú w z ( ) êë ú R ú û êë û é ù - 1 z ú ´ exp êi (2 p + l + 1)tan ê zR ú ë û M = e0r ´ (E´ B) J= L.Allen, M.W.Beijersbergen, R.J.C.Spreeuw, J.P.Woerdman, Phys.Rev.A, 1992 ò Mdr Момент импульса фотона l 2 s zr ¶ u Mz = u + w 2w ¶ r s z = 0, ± 1 L.Allen, M.W.Beijersbergen, R.J.C.Spreeuw, J.P.Woerdman, Phys.Rev.A, 1992 2 Момент импульса фотона - i(w(k 0 )t - k0 z) E = F (r , j , z )×eilj e Спиральный волновой фронт - i(w(k 0 )t - k0 z) E = F (r , j , z )×e Плоский волновой фронт http://www.physics.gla.ac.uk/ Интерференционная картина сферической волны и Бесселева пучка с разным знаком спиральности E (r , ) J1 (r )e i l 1 E (r , ) J1 (r )e i E (r , ) F1 (r )e i E (r , ) F1 (r )e i l 1 l 1 Передача орбитального момента среде Передача спинового момента среде +h -h Richard A. Beth, Phys. Rev., 1936 Передача орбитального момента среде L.Allen, M.W.Beijersbergen, R.J.C.Spreeuw, J.P.Woerdman, Phys.Rev.A, 1992 Манипуляция микрообъетами A.Ashkin, J.M.Dziedzic, J.E.Bjorkholm, Steven Chu, Optics Letters, 1986 Манипуляция микрообъетами Пучок Лагерра-Гаусса 1 2kzr 1 l z z 2 p l 1 l z S. M. Barnett and L. Allen, Opt. Commun., 1994 N. B. Simpson, K. Dholakia, L. Allen, M. J. Padgett, Opt.Lett, 1997 Манипуляция микрообъетами T. O'Neil, I. MacVicar, L. Allen, and M. J. Padgett, Phys. Rev. Lett. 2002 Манипуляция микрообъетами Орбитальный момент могут иметь не только спиральные пучки! • Berry, M V, 1998 ‘Paraxial beams of spinning light', In Singular optics, 487(Ed, Soskin, M S) Frunzenskoe, Crimea, SPIE, 3487, pp 6-11 Момент импульса фотона Jz Re i dxdy E e r i E e E E z z Re dxdyE E lz sz Jz Lz S z Berry, M V, 1998 ‘Paraxial beams of spinning light', In Singular optics, 487(Ed, Soskin, M S) Frunzenskoe, Crimea, SPIE, 3487, pp 6-11. Проявление спинорбитального взаимодействия фотона в оптически неоднородной среде • Классическая оптика: – Взаимовлияние поляризации света и процесса его распространения • Квантовая оптика: – Спинорбитальное взаимодействие фотона Распространение света • Однородная среда (свободное пространство) k0 z q - i(w(k 0 )t - k0 z) E (r, t )= (c1e x + c2e y )×F (x, y, z )×e • Оптически неоднородная среда с локально изотропной диэлектрической проницаемостью E E Непланарные лучи: поворот плоскости поляризации • Рытов - 1938, Владимирский - 1941 – если начальное и конечное направление распрост ранения луча совпадают , т о угол поворот а равен численно т елесному углу W, вырезаемому касат ельной к т раект ории в прост ранст ве касат ельных Непланарные лучи: поворот плоскости поляризации • Чао и Ву - 1986 – т от же результ ат , но на основе квант овомеханической адиабат ической теоремы Берри: (фазы Берри) Берри - 1984 Непланарные лучи: поворот плоскости поляризации • Томита и Чао -1986 – первое эксперимент альное наблюдение Рыт овского поворот а в одномодовом волокне, скрученном в спираль Продольный и поперечный сдвиги светового луча при полном внутреннем отражении • Гус и Ханхен - 1947 – Величина сдвига различна для s - и p - поляризации VrP • Федоров, Кристоффель 1955, Имбер -1978 – Сдвиг имеет разные направления для лево и право циркулярной поляризации света Vr^ Имбер - 1978 Сдвиг имеет разные направления для лево и право циркулярной поляризации света Поперечный сдвиг циркулярно поляризованного луча при отражении и преломлении Оптический эффект Холла Vr^R Vr^T Свет падает из менее плотной оптической среды – поперечные сдвиги отраженного и преломленного луча имеют разные знаки Сохранение полного момента импульса фотона Masaru Onoda, Shuichi Murakami, Naoto Nagaosa, Phys. Rev. Lett, 2004 Упомянутые оптические эффекты рассматривались независимо • Б.Я.Зельдович, В.С.Либерман -1990 – Поворот плоскост и меридионального луча в градиент ном свет оводе за счет циркулярност и поляризации – следст вие взаимовлияния поляризации свет а и его т раект ории Оптический эффект Магнуса • А.В.Дугин, Б.Я.Зельдович, Н.Д.Кундикова, В.С.Либерман 1991 – влияние циркулярности поляризации на распространения света в оптическом волокне со ступенчатым профилем показателя преломления – экспериментальное обнаружение оптического эффекта Магнуса – интерпретация эффекта как результат спинорбитального взаимодействия фотона Оптический эффект Магнуса Лазер Поляризационная система Фрагмент спекл картины, наблюдаемой на экране, для лево и право циркулярной поляризации света Волокно 1 1 Оптический эффект Магнуса = 1 = 1 Б.Я.Зельдович, В.С.Либерман - 1992 Эффекты, связанные с влиянием траектории лучей на их поляризацию, и эффекты, связанные с влиянием поляризации лучей на их траекторию, могут быть описаны в рамках одного Гамильтониана H •Рытовский поворот •Оптический эффект Магнуса Уравнения траектории луча и поляризации dr c = s- s (s´ Ñ ln n), dl wn ds = Ñ ln n - s (s ×Ñ ln n) dl æ ds ÷ ö de = - s ççe × ÷ çè dl ÷ ø dl Уравнение Рытова Пространственное разделение линейно поляризованного света на циркулярнополяризованные составляющие ? Лазер Поляризационная система Волокно Обращение волнового фронта Распространение света через оптическое волокно Обращение волнового фронта – обратить распространение света через оптическое волокно Обращение волнового фронта Обращающее зеркало ? Пространственное разделение эллиптически поляризованного света на две волны с ортогональными циркулярными поляризациями Схема экспериментальной установки Пространственное разделение эллиптически поляризованного света на две волны с ортогональными циркулярными поляризациями интенсивность A B Результаты эксперимента Корреляция между измеренной эллиптичностью и ее заданной величиной IL Пикселы IR Можно ли наблюдать в одинаковых экспериментальных условиях влияние траектории на поляризацию и поляризации на траекторию? • Сагиттальные (косые) лучи в оптическом прямолинейном волокне Влияние траектории на поляризацию и поляризации на траекторию Лазер Поляризационная система Волокно Линейная поляризация Циркулярная поляризация 1 1 Распространение света в многомодовом волокне, скрученном в спираль h h= 0 h = 10 см «Магнитный поворот» VHz • 1994 – Предсказан (Б.Я. Зельдович, Н.Б. Баранова) и экспериментально обнаружен (М.Я. Даршт, И.В. Жиргалова, Б.Я. Зельдович, Н.Д. Кундикова) эффект поворота спекл картины света при прохождении через оптическое волокно, помещенное в магнитное поле. Влияние магнитного поля на вид спекл-картины Эксперимент +H -H Параметры волокна: nсо = 1,470, псl = 1,466, l = 0,63 мкм, r = 4,5 мкм, V = 0,014 мин/(Гс·см) Lmf = 93 см, L = 100 см, H = 1000 Гс Влияние магнитного поля на вид спекл-картины Эксперимент Параметры волокна из стекла МОС-101 (сердцевина) и специального магнитооптического стекла (оболочка): = 0,63 мкм, l V = 0,14 мин/(Гс·см) Lmf = 21,5 см, L = 80 см, H = 900 Гс Преобразование спинового момента в орбитальный Преобразование спинового момента в орбитальный Преобразование спинового момента в орбитальный Преобразование спинового момента в орбитальный Преобразование спинового момента в орбитальный Распространение света в оптическом волокне со ступенчатым профилем показателя преломления Преобразование спинового момента в орбитальный Распространение света в оптическом волокне со ступенчатым профилем показателя преломления Преобразование спинового углового момента в орбитальный l 4 E (r , ) J1 (r )e i l 1 E (r , ) J1 (r )e i E (r , ) F1 (r )e i E (r , ) F1 (r )e i l 1 l 1 Проявление спинорбитального взаимодействия фотона в оптически однородной среде Оптически однородная среда Распространение света через половину линзы Н.Б.Баранова, A.Ю.Савченко, Б.Я.Зельдович - 1994 – Поперечный сдвиг фокальной перетяжки асимметричного сходящегося светового пучка при смене знака циркулярной поляризации Экспериментальное обнаружение поперечного сдвига перетяжки луча • Рассеивающая среда для визуализации луча – Изображения перетяжки в рассеянном свете s =- 1 1,5 мкм s = +1 Обратный эффект: Влияние траектории света на его поляризацию Эллиптичность пучка при разных условиях экранирования перетяжка линза — < > < + + > — Эллиптичность пучка при разных условиях экранирования перетяжка линза 1,5·106 > 1,5·10-6 4,5·10-6 > < < 6,5·10-6 Погрешность измерения эллиптичности 0,5·10-6 Эффект геометрического двулучепреломления Влияние траектории света на его поляризацию при распространении через половину линзы .. .. 1 e = . . 10 6 Некоторые задачи • Теоретическое описание взаимовлияния траектории и поляризации света (спинорбитального взаимодействия фотона в оптически однородной среде • Оптический эффект Магнуса в фотонных кристаллах - эксперимент • Оптический эффект Магнуса в метаматериалах Поперечный сдвиг циркулярно поляризованного луча при отражении и преломлении Оптический эффект Холла Vr^R Vr^T В фотонных кристаллах сдвиг может быть макроскопическим Masaru Onoda, Shuichi Murakami, Naoto Nagaosa, Phys. Rev. Lett, 2004 Фотонные кристаллы многослойная среда Фотонные кристаллы Трехмернопериодическая среда ? Изготовление фотонных кристаллов Осаждение субмикронных частиц Фотонные кристаллы Использование интерференции для изготовления фотонных кристаллов Крылья бабочек –фотонные кристаллы Heliconius cydno Heliconius melpomene malleti Оптический эффект Магнуса в метаматериалах А.В.Иванов, А.Н.Шалыгин, А.В.Ведяев, В.А.Иванов, Письма в ЖЭТФ, 2007 Konstantin Y. Bliokh, Avi Niv, Vladimir Kleiner, Erez Hasman Geometrodynamics of spinning light Nature Photonics, 2008 Franco Nori Geometrical optics: The dynamics of spinning light Nature Photonics, 2008 «Topological transport phenomena on the wavelength scale offer a new field for future experiments. In this way, modern nano-optics and photonics, operating with light at subwavelength scales, provide a promising new avenue for exploring these fundamental effects». Оптический эффект Магнуса для поляризационной оптики Пространственное разделение эллиптически поляризованного света на два циркулярно поляризованных пучка ? Лазер Поляризационная система Оптическое волокно Пространственное разделение эллиптически поляризованного света на два пучка с ортогональными циркулярными поляризациями e= = a + b Ia I R / I L 1 e I b I R / I L 1 2 Экспериментальные результаты Корреляция между измеренной эллиптичностью и ее заданной величиной intensity A B Наш метод IL pixels IR Ia I R / I L 1 e I b I R / I L 1 2 Глаукома сканирующая поражение нервных волокон сетчатки лазерная поляриметрия нарушение всех зрительных функций /потеря зрения Зачем нужно? Морфофункциональное исследование биологических тканей a Локализация военных обьектов Исследование свойств кристаллов 1 mm Поляризационный снимок рубца пищевода (R. V. Kuranov, et al. Самолет-невидимка B-2 Spirit Opt. Express 10, 707 (2002) кристалл исландского шпата Исследование свойств жидкостей Исследование качества поверхности Поверхность коренного зуба Поверхность воды Зачем нужно? Просветляющие покрытия Поляризационные очки Дисплейные технологии Оптические фильтры Благодарю за внимание!
