Поляризационная оптика: история и перспективы

Поляризационная Поляризационная оптика: история и оптика: история и перспективыперспективы

Вузовско-академическая лаборатория Вузовско-академическая лаборатория нелинейной оптики Института нелинейной оптики Института электрофизики УрО РАН и Южно-электрофизики УрО РАН и Южно-Уральского государственного Уральского государственного университетауниверситетаЧелябинскЧелябинск

Наталия Д. Наталия Д. КундиковаКундикова

Вузовско-академическая Вузовско-академическая лаборатория нелинейной лаборатория нелинейной

оптики Института оптики Института электрофизики УрО РАН и электрофизики УрО РАН и

Южно-Уральского Южно-Уральского государственного государственного

университетауниверситета

Южно-Уральский Южно-Уральский государственного государственного

университетуниверситетЧелябинскЧелябинск

Спин-орбитальное Спин-орбитальное взаимодействие взаимодействие

фотона фотона Часть 2Часть 2

Спин-орбитальное взаимодействие электрона

Спин-орбитальное взаимодействие фотона

?

Эффект Зеемана

• Классическая Классическая оптикаоптика:

– Поляризация света

– Пространственное распределение

• Квантовая Квантовая оптикаоптика::

– Спин фотона (спиновый момент)

– Орбитальный момент фотона

Спин фотона (спиновый момент)

Представление Представление поляризованного светаполяризованного света

Эллиптичность и угол эллиптичностиЭллиптичность и угол эллиптичности

Сфера ПуанкареСфера Пуанкаре

Представление поляризованного Представление поляризованного светасвета

1

45

Эллиптичность и угол эллиптичностиЭллиптичность и угол эллиптичности

Доля фотонов со спином

1 Доля фотонов со спином

Линейная поляризация

0 Циркулярная поляризация

Передача спинового Передача спинового момента средемомента среде

Richard A. Beth, Phys. Rev., 1936Richard A. Beth, Phys. Rev., 1936


+h

- h


Орбитальный момент фотона

Траектория лучаТраектория луча

( )

,

ln ln

d

dld

n ndl

=

=Ñ - ×Ñ

rs

ss s

Оптически Оптически неоднородная неоднородная

средасреда

Траектория луча

( )nc

wæ ö÷ç= ÷ç ÷÷çè øp rh

=M r×p

Импульс фотона

- Момент импульс фотона

Оптически неоднородная среда

Момент импульса фотонаМомент импульса фотона

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



Пучок Лагерра-Гаусса в свободном пространствеПучок Лагерра-Гаусса в свободном пространстве

( )( ) ( ) ( )

( ) ( )( )

( )

2

1 2 22 2

2 2

2 2 2

1

2 2, ,

1

exp exp exp2

exp 2 1 tan

l

lpl p

R

R

R

C r ru r z L

w z w zz z

r ikr zil

w z z z

zi p l

z

f

f

-

é ù é ùê ú ê ú= ê ú ê úê ú ê ú+ ë û ë û

é ùé ù- -ê úê ú´ -ê úê ú +ê úê úë û ë ûé ùê ú´ + +ê úë û

( )0

d

e= ´ ´

=ò

M r E B

J M r

Момент импульса Момент импульса фотонафотона


22

2z

z

urlM u

r

sw w

¶= +

¶0, 1zs = ±


Спиральный Спиральный волновой фронтволновой фронт

http://www.physics.gla.ac.uk/

Плоский Плоский волновой фронтволновой фронт

( ) ( )( )0 0, , i t k zE F r z e wj - -= × k( ) ( )( )0 0, , i t kil zeE F r z ej wj - -= × k

Интерференционная картина Интерференционная картина сферической волны и Бесселева сферической волны и Бесселева

пучка с разным знаком пучка с разным знаком спиральностиспиральности

1l 1( , ) ( ) iE r F r e

1( , ) ( ) iE r F r e

1l

1( , ) ( ) iE r J r e 1( , ) ( ) iE r J r e

1l

Передача орбитального Передача орбитального момента средемомента среде


+h

- h


Передача Передача орбитальногорбитального момента о момента

средесреде

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

Манипуляция Манипуляция микрообъетаммикрообъетам

ииA.Ashkin, J.M.Dziedzic,J.E.Bjorkholm, Steven Chu, Optics Letters, 1986

Манипуляция Манипуляция микрообъетамимикрообъетами

N. B. Simpson, K. N. B. Simpson, K. Dholakia, L. Allen, M. J. Dholakia, L. Allen, M. J. Padgett, Padgett, Opt.Lett, 1997Opt.Lett, 1997

12

12 1

rz z

kzl

p l

S. M. Barnett and S. M. Barnett and L. Allen, Opt. L. Allen, Opt. Commun.Commun., , 19941994

zl

Пучок Лагерра-ГауссаПучок Лагерра-Гаусса


T. O'Neil, I. MacVicar, L. Allen, and M. J. Padgett, T. O'Neil, I. MacVicar, L. Allen, and M. J. Padgett, Phys. Rev. Lett. 2002Phys. Rev. Lett. 2002


Орбитальный момент Орбитальный момент могут иметь не только могут иметь не только

спиральные пучки!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 Момент импульса фотонафотона

Berry, M V, 1998 ‘Paraxial beams of spinning light', In Singular optics, 487(Ed, Soskin, M S) Frunzenskoe, Crimea, SPIE, 3487, pp 6-11.

Re

Re

z z

z

i dxdy iJ

dxdy

E e r E e E E

E E

Re

Re

z z

z

i dxdy iJ

dxdy

E e r E e E E

E E

z zz z z

l sJ L S

z zz z z

l sJ L S

Проявление спин-Проявление спин-орбитального орбитального

взаимодействия фотона в взаимодействия фотона в оптически неоднородной оптически неоднородной


• Классическая Классическая оптикаоптика::

– Взаимовлияние поляризации света и процесса его распространения

• Квантовая Квантовая оптикаоптика::

– Спин-орбитальное взаимодействие фотона

Распространение светаРаспространение света• Однородная среда

(свободное пространство)

• Оптически неоднородная среда с локально изотропной диэлектрической проницаемостью

( ) ( ) ( ) ( )( )0 0

1 2, , , i t k z

x yt c c F x y z e w- -= + × × kE r e e

0kqz

EE

Непланарные лучи: поворот Непланарные лучи: поворот

плоскости поляризацииплоскости поляризации • Рытов - 1938, Владимирский - 1941

– если начальное и конечное направление распространения луча совпадают, то угол поворота равен численно телесному углу , вырезаемому касательной к траектории в пространстве касательных


плоскости поляризацииплоскости поляризации

• Чао и Ву - 1986– тот же результат, но на основе

квантовомеханической адиабатической теоремы Берри: (фазы Берри) Берри - 1984


плоскости поляризацииплоскости поляризации • Томита и Чао -1986

– первое экспериментальное наблюдение Рытовского поворота в одномодовом волокне, скрученном в спираль

Продольный и поперечный сдвиги светового луча при

полном внутреннем отражении• Гус и Ханхен - 1947

– Величина сдвига различна Величина сдвига различна для s - и p - поляризациидля s - и p - поляризации

• Федоров, Кристоффель - 1955, Имбер -1978– Сдвиг имеет разные Сдвиг имеет разные

направления для направления для леволево и и правоправо циркулярной циркулярной поляризации светаполяризации света

rPVrPV

r̂Vr̂V

Имбер - 1978Имбер - 1978

Сдвиг имеет разные направления для Сдвиг имеет разные направления для леволево и и правоправо циркулярной поляризации света циркулярной поляризации света

Поперечный сдвиг циркулярно Поперечный сдвиг циркулярно поляризованного луча при поляризованного луча при отражении и преломленииотражении и преломлении

Masaru Onoda, Shuichi Murakami, Naoto Nagaosa, Phys. Rev. Lett, 20042004

Оптический эффект Холла

Rr̂VTr̂V

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 -1990 – Поворот плоскости меридионального

луча в градиентном световоде за счет циркулярности поляризации

– следствие взаимовлияния поляризации света и его траектории

Упомянутые оптические Упомянутые оптические эффекты эффекты

рассматривались рассматривались

независимонезависимо

Оптический эффект Оптический эффект МагнусаМагнуса

• 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 МагнусаОптический эффект Магнуса

Лазер Поляризационная система

Волокно

1 1

Фрагмент спекл Фрагмент спекл картины, наблюдаемой картины, наблюдаемой на экране, для лево и на экране, для лево и право циркулярной право циркулярной поляризации светполяризации светаа

Оптический эффект МагнусаОптический эффект Магнуса

= 1 = 1

Б.Я.Зельдович, Б.Я.Зельдович, В.С.Либерман - 1992В.С.Либерман - 1992

Эффекты, связанные с влиянием Эффекты, связанные с влиянием траектории лучей на их поляризацию, и траектории лучей на их поляризацию, и эффекты, связанные с влиянием эффекты, связанные с влиянием поляризации лучей на их траекторию, поляризации лучей на их траекторию, могут быть описаны в рамках одного могут быть описаны в рамках одного Гамильтониана Гамильтониана HH

•Рытовский поворотРытовский поворот•Оптический эффект Оптический эффект МагнусаМагнуса

Уравнения траектории луча и поляризации

( )

( )

,

ln ln

lnd

dld

n ndl

cn

ns

rs

ss s

sw

= -

=Ñ - ×Ñ

´ Ñ

d d

dl dl

æ ö÷ç=- × ÷ç ÷÷çè øe s

s eУравнение Рытова

Пространственное разделение Пространственное разделение линейно поляризованного света на линейно поляризованного света на

циркулярно-поляризованные циркулярно-поляризованные составляющиесоставляющие


Волокно

?

Обращение волнового фронтаОбращение волнового фронта

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

Распространение света через оптическое Распространение света через оптическое волокноволокно

Обращение волнового Обращение волнового

фронтафронта

Обращающее зеркалоОбращающее зеркало

?

Пространственное разделение Пространственное разделение эллиптически поляризованного света эллиптически поляризованного света

на две волны с ортогональными на две волны с ортогональными циркулярными поляризациямициркулярными поляризациями

Схема экспериментальной установки

Пространственное разделение Пространственное разделение эллиптически поляризованного света на эллиптически поляризованного света на

две волны с ортогональными две волны с ортогональными циркулярными поляризациямициркулярными поляризациями

Результаты Результаты экспериментаэксперимента

Корреляция между Корреляция между измеренной измеренной

эллиптичностью и эллиптичностью и ее заданной ее заданной величинойвеличиной

A B

IRIL

Пикселы

инте

нсив

ност

ь

Можно ли наблюдать Можно ли наблюдать в одинаковых в одинаковых экспериментальныхэкспериментальных условиях условиях влияние влияние

траектории на поляризацию и траектории на поляризацию и поляризации на траекториюполяризации на траекторию??

• Сагиттальные (косые) лучи в оптическом Сагиттальные (косые) лучи в оптическом прямолинейном волокнепрямолинейном волокне

Влияние траектории на Влияние траектории на поляризацию и поляризацию и поляризации на поляризации на траекториютраекторию


Волокно

Поляризат

ор

1 1

Линейная поляризация

Циркулярная поляризация

Распространение света в Распространение света в многомодовом волокне, многомодовом волокне, скрученном в спиральскрученном в спираль

h

0h = 10h = 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.

VHz

nlo

На распространение в волокне также оказывает влияние и магнитное поле.Эффект был обнаружен в 1994 г. в нашей лаборатории, но подробно он не исследовался.

Влияние магнитного поля на вид Влияние магнитного поля на вид спекл-картиныспекл-картины

Эксперимент

Параметры волокна:

nсо = 1,470, псl = 1,466, = 0,63 мкм,

r = 4,5 мкм, V = 0,014 мин/(Гс·см)

Lmf = 93 см, L = 100 см, H = 1000 Гс

- H + H

Влияние магнитного поля на вид Влияние магнитного поля на вид спекл-картиныспекл-картины

Эксперимент

Параметры волокна из стекла МОС-101 (сердцевина) и специального магнитооптического

стекла (оболочка):= 0,63 мкм,

V = 0,14 мин/(Гс·см)

Lmf = 21,5 см, L = 80 см, H = 900 Гс

Преобразование Преобразование спинового момента в спинового момента в

орбитальныйорбитальный

Преобразование спинового момента в орбитальный

Преобразование спинового Преобразование спинового момента в орбитальныймомента в орбитальный



Распространение света в оптическом волокне со ступенчатым профилем показателя преломления


Распространение света в оптическом волокне со ступенчатым профилем показателя преломления

Преобразование спинового Преобразование спинового углового момента в углового момента в

орбитальныйорбитальный4

1l 1( , ) ( ) iE r F r e

1( , ) ( ) iE r F r e

1l

1( , ) ( ) iE r J r e 1( , ) ( ) iE r J r e

1l

Проявление спин-Проявление спин-орбитального орбитального

взаимодействия фотона в взаимодействия фотона в оптически однородной оптически однородной


Оптически однородная средаОптически однородная средаРаспространение света через половину Распространение света через половину

линзылинзыН.Б.Баранова, A.Ю.Савченко, Б.Я.Зельдович - Н.Б.Баранова, A.Ю.Савченко, Б.Я.Зельдович -

19941994 – Поперечный сдвиг фокальной перетяжки Поперечный сдвиг фокальной перетяжки

асимметричного сходящегося светового пучка асимметричного сходящегося светового пучка при смене знака циркулярной поляризациипри смене знака циркулярной поляризации

Экспериментальное обнаружение Экспериментальное обнаружение поперечного сдвига перетяжки поперечного сдвига перетяжки

лучалуча• Рассеивающая среда для визуализации луча Рассеивающая среда для визуализации луча

– Изображения перетяжки в рассеянном светеИзображения перетяжки в рассеянном свете

1s =- 1s =+1,5 мкм

Обратный эффект: Обратный эффект: Влияние траектории света на его Влияние траектории света на его

поляризациюполяризацию

перетяжка

линза

Эллиптичность пучка при Эллиптичность пучка при разных условиях разных условиях экранированияэкранирования

+

+ —

— <

>

><

перетяжка

линза

Эллиптичность пучка при Эллиптичность пучка при разных условиях разных условиях экранированияэкранирования

1,5·10-

6

6,5·10-6

4,5·10-6 1,5·10-6

Погрешность измерения эллиптичности Погрешность измерения эллиптичности 00,5,5··1010--

66

<

>

><

Влияние траектории света на его Влияние траектории света на его поляризацию при распространении через поляризацию при распространении через половину линзыполовину линзы

Эффект геометрического Эффект геометрического двулучепреломлениядвулучепреломления

e =...

... 6

1

10

Некоторые задачиНекоторые 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 Поперечный сдвиг циркулярно поляризованного луча при поляризованного луча при отражении и преломленииотражении и преломлении

Masaru Onoda, Shuichi Murakami, Naoto Nagaosa, Phys. Rev. Lett, 20042004

Оптический эффект Холла

Rr̂VTr̂V

В фотонных В фотонных кристаллах сдвиг кристаллах сдвиг может быть может быть макроскопическимакроскопическимм

Фотонные кристаллы

многослойная среда

Фотонные кристаллыФотонные кристаллы

Трехмерно-Трехмерно-периодическапериодическая средая среда ??

Изготовление фотонных кристаллов

Осаждение субмикронных частиц

Фотонные кристаллы

Использование интерференции для изготовления фотонных кристаллов

Крылья бабочекКрылья бабочек – –фотонные фотонные кристаллыкристаллы

Heliconius cydno

Heliconius melpomene malleti

Оптический эффект Магнуса в Оптический эффект Магнуса в метаматериалахметаматериалах

А.В.Иванов, А.Н.Шалыгин, А.В.Ведяев, В.А.Иванов, А.В.Иванов, А.Н.Шалыгин, А.В.Ведяев, В.А.Иванов, Письма в ЖЭТФ, 2007Письма в ЖЭТФ, 2007

Konstantin Y. Bliokh, Avi Niv, Konstantin Y. Bliokh, Avi Niv, Vladimir KleinerVladimir Kleiner,, Erez Hasman Erez HasmanGeometrodynamics of spinning Geometrodynamics of spinning light Nature Photonicslight Nature Photonics,, 2008 2008

Franco Nori Franco Nori Geometrical optics: The dynamics Geometrical optics: The dynamics of spinning lightof spinning lightNature PhotonicsNature Photonics, , 20082008

««Topological transport phenomena on the Topological transport phenomena on the wavelength scale offer a new field for future wavelength scale offer a new field for future experiments. In this way, modern nano-optics and experiments. In this way, modern nano-optics and photonics, operating with light at subwavelength photonics, operating with light at subwavelength scales, provide a promising new avenue for exploring scales, provide a promising new avenue for exploring these fundamental effectsthese fundamental effects»»..

Оптический эффект Оптический эффект Магнуса для Магнуса для

поляризационной поляризационной оптикиоптики

Пространственное разделение Пространственное разделение эллиптически поляризованного эллиптически поляризованного

света на два циркулярно света на два циркулярно поляризованных пучкаполяризованных пучка

ЛазерЛазер ПоляризационнаяПоляризационная системасистема

Оптическое волокноОптическое волокно

?

Пространственное разделение Пространственное разделение эллиптически поляризованного света эллиптически поляризованного света

на два пучка с ортогональными на два пучка с ортогональными циркулярными поляризациямициркулярными поляризациями

2

/ 1

/ 1R La

b R L

I II

I I Ie

e= = +

Экспериментальные Экспериментальные результатырезультаты

Корреляция между измеренной Корреляция между измеренной эллиптичностью и ее заданной величинойэллиптичностью и ее заданной величиной

A B

IRIL

pixels

inte

nsity Наш метод

Обычный м

етод

2

/ 1

/ 1R La

b R L

I II

I I Ie

Глаукома

поражение нервных поражение нервных волокон сетчаткиволокон сетчатки

нарушение всех нарушение всех зрительных функций зрительных функций /потеря зрения/потеря зрения

сканирующая сканирующая

лазерная поляриметриялазерная поляриметрия

Зачем нужно?

a 1 mmaa 1 mm

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 шпатаИсследование

свойств жидкостей

Поверхность воды

Зачем нужно?

Дисплейные технологии

Поляризационные очки

Просветляющиепокрытия

Оптические фильтры

Благодарю за внимание!Благодарю за внимание!

Documents

Поляризационная оптика: история и перспективы