Поляризационная оптика: история и перспективы Вузовско-академическая лаборатория нелинейной оптики Института электрофизики УрО РАН и Южно-Уральского государственного университета Челябинск Наталия Д. Кундикова

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 оптикаКлассическая оптика : –Поляризация света –Пространственное распределение Квантовая оптика :Квантовая оптика : –Спин фотона (спиновый момент) –Орбитальный момент фотона

Спин фотона (спиновый момент)

Представление поляризованного света Эллиптичность и угол эллиптичности Сфера Пуанкаре

Представление поляризованного света Эллиптичность и угол эллиптичности Доля фотонов со спином Линейная поляризация Циркулярная поляризация

Передача спинового момента среде Richard A. Beth, Phys. Rev., 1936

Передача спинового момента среде Richard A. Beth, Phys. Rev., 1936

Орбитальный момент фотона

Траектория луча Оптическинеоднороднаясреда

Импульс фотона - Момент импульс фотона Оптически неоднородная среда

Момент импульса фотона L.Allen, M.W.Beijersbergen, R.J.C.Spreeuw, J.P.Woerdman, Phys.Rev.A, 1992

Момент импульса фотона L.Allen, M.W.Beijersbergen, R.J.C.Spreeuw, J.P.Woerdman, Phys.Rev.A, 1992 Пучок Лагерра-Гаусса в свободном пространстве

Момент импульса фотона L.Allen, M.W.Beijersbergen, R.J.C.Spreeuw, J.P.Woerdman, Phys.Rev.A, 1992

Момент импульса фотона Спиральный волновой фронт Плоский волновой фронт

Интерференционная картина сферической волны и Бесселева пучка с разным знаком спиральности

Передача орбитального момента среде

Передача спинового момента среде 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 N. B. Simpson, K. Dholakia, L. Allen, M. J. Padgett, Opt.Lett, 1997 S. M. Barnett and L. Allen, Opt. Commun., 1994 Пучок Лагерра-Гаусса

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 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 спин- орбитального взаимодействия фотона в оптически неоднородной среде

Классическая оптика :Классическая оптика : –Взаимовлияние поляризации света и процесса его распространения Квантовая оптика :Квантовая оптика : –Спин- орбитальное взаимодействие фотона

Распространение света Однородная среда (свободное пространство) Оптически неоднородная среда с локально изотропной диэлектрической проницаемостью

Непланарные лучи: поворот плоскости поляризации Рытов , Владимирский –если начальное и конечное направление распространения луча совпадают, то угол поворота равен численно телесному углу, вырезаемому касательной к траектории в пространстве касательных

Непланарные лучи: поворот плоскости поляризации Чао и Ву – тот же результат, но на основе квантовомеханической адиабатической теоремы Берри: (фазы Берри) Берри

Непланарные лучи: поворот плоскости поляризации Томита и Чао – первое экспериментальное наблюдение Рытовского поворота в одномодовом волокне, скрученном в спираль

Продольный и поперечный сдвиги светового луча при полном внутреннем отражении Гус и Ханхен Величина сдвига различна для s - и p - поляризации – Величина сдвига различна для s - и p - поляризации Федоров, Кристоффель , Имбер –Сдвиг имеет разные направления для лево и право циркулярной поляризации света

Имбер Сдвиг имеет разные направления для лево и право циркулярной поляризации света

Поперечный сдвиг циркулярно поляризованного луча при отражении и преломлении 2004 Masaru Onoda, Shuichi Murakami, Naoto Nagaosa, Phys. Rev. Lett, 2004 Оптический эффект Холла Свет падает из менее плотной оптической среды – поперечные сдвиги отраженного и преломленного луча имеют разные знаки Сохранение полного момента импульса фотона

Б.Я.Зельдович, В.С.Либерман –Поворот плоскости меридионального луча в градиентном световоде за счет циркулярности поляризации –следствие взаимовлияния поляризации света и его траектории Упомянутые оптические эффекты рассматривалисьнезависимо

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 спин- орбитального взаимодействия фотона

Оптический эффект Магнуса Лазер Поляризационная система Волокно Фрагмент спекл картины, наблюдаемой на экране, для лево и право циркулярной поляризации света

Оптический эффект Магнуса = 1

Б.Я.Зельдович, В.С.Либерман 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 поворотРытовский поворот Оптический эффект МагнусаОптический эффект Магнуса

Уравнения траектории луча и поляризации Уравнение Рытова

Пространственное разделение линейно поляризованного света на циркулярно- поляризованные составляющие Лазер Поляризационная система Волокно ?

Обращение волнового фронта Обращение волнового фронта – обратить распространение света через оптическое волокно Распространение света через оптическое волокно

Обращение волнового фронта Обращающее зеркало 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 Результаты эксперимента Корреляция между измеренной эллиптичностью и ее заданной величиной AB IRIR ILIL Пикселы интенсивность

Можно ли наблюдать в одинаковых экспериментальных условиях влияние траектории на поляризацию и поляризации на траекторию? Сагиттальные (косые) лучи в оптическом прямолинейном волокнеСагиттальные (косые) лучи в оптическом прямолинейном волокне

Влияние траектории на поляризацию и поляризации на траекторию Лазер Поляризационная система Волокно Поляризатор Линейная поляризация Циркулярная поляризация

Распространение света в многомодовом волокне, скрученном в спираль см

«Магнитный поворот» 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 Параметры волокна: n со = 1,470, п сl = 1,466, = 0,63 мкм, r = 4,5 мкм, V = 0,014 мин/(Гс·см) L mf = 93 см, L = 100 см, H = 1000 Гс - H + H

Влияние магнитного поля на вид спекл-картины Эксперимент Параметры волокна из стекла МОС-101 (сердцевина) и специального магнитооптического стекла (оболочка) : = 0,63 мкм, V = 0,14 мин/(Гс·см) L mf = 21,5 см, L = 80 см, H = 900 Гс

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

Проявление спин- орбитального взаимодействия фотона в оптически однородной среде

Оптически однородная среда Распространение света через половину линзы Н.Б.Баранова, A.Ю.Савченко, Б.Я.Зельдович –Поперечный сдвиг фокальной перетяжки асимметричного сходящегося светового пучка при смене знака циркулярной поляризации

Экспериментальное обнаружение поперечного сдвига перетяжки луча Рассеивающая среда для визуализации лучаРассеивающая среда для визуализации луча –Изображения перетяжки в рассеянном свете 1,5 мкм

Обратный эффект: Влияние траектории света на его поляризацию

перетяжка линза Эллиптичность пучка при разных условиях экранирования + + < > >

перетяжка линза Эллиптичность пучка при разных условиях экранирования 1,5· ,5· ,5· ,5·10 -6 Погрешность измерения эллиптичности 0,5·10 -6 < > >

Влияние траектории света на его поляризацию при распространении через половину линзы Эффект геометрического двулучепреломления e =

Некоторые задачи Теоретическое описание взаимовлияния траектории и поляризации света (спин- орбитального 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 2004 Masaru Onoda, Shuichi Murakami, Naoto Nagaosa, Phys. Rev. Lett, 2004 Оптический эффект Холла В фотонных кристаллах сдвиг может быть макроскопическим

Фотонные кристаллы многослойная среда

Фотонные кристаллы Трехмерно- периодическая 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 система Оптическое волокно ?

Пространственное разделение эллиптически поляризованного света на два пучка с ортогональными циркулярными поляризациями e = = +

Экспериментальные результаты Корреляция между измеренной эллиптичностью и ее заданной величиной AB IRIR ILIL pixels intensity Наш метод Обычный метод

Глаукома поражение нервных волокон сетчатки нарушение всех зрительных функций /потеря зрения сканирующая лазерная поляриметрия

Зачем нужно? Поляризационный снимок рубца пищевода ( R. V. Kuranov, et al. Opt. Express 10, 707 (2002) Поверхность коренного зуба Исследование качества поверхности Самолет-невидимка B-2 Spirit Локализация военных обьектов Морфофункциональное исследование биологических тканей Исследование свойств кристаллов кристалл исландского шпата Исследование свойств жидкостей Поверхность воды

Зачем нужно? Дисплейные технологии Поляризационные очки Просветляющие покрытия Оптические фильтры

Благодарю за внимание!