Fotonische kristalvezels (PCF) zijn strengen van glas, niet veel dikker dan een mensenhaar, met een rooster van holle kanalen die langs de vezel lopen. Als ze continu worden verdraaid in hun productie, ze lijken op een multi-helix. Twisted PCF's tonen een aantal geweldige functies, van circulaire dubbele breking tot behoud van het impulsmoment. De grootste verrassing, echter, is de robuuste lichtgeleiding zelf, zonder zichtbare vezelkern. De basis hiervoor zijn krachten die, zoals zwaartekracht, zijn gebaseerd op de kromming van de ruimte.

Chirale materialen bestaan ​​uit veel identieke eenheden (moleculen of nanogestructureerde elementen) die ofwel willekeurig in oplossing zijn georiënteerd of op een geordende manier zijn gerangschikt. Ze zijn alomtegenwoordig van aard, bijvoorbeeld de meeste biologische moleculen zijn er in rechts- en linkshandige vormen - en vinden een toenemend aantal toepassingen in wetenschap en technologie. Twisted fotonische kristalvezel (t-PCF), in tegenstelling tot, bestaat uit een enkele uniaxiale chirale eenheid die oneindig wordt uitgebreid in de derde dimensie - de richting van de draaiing. PCF zelf bestaat meestal uit een hexagonale reeks holle microkanalen die langs de lengte van een glasvezel van ~ 100 µm dik lopen, zodat het, wanneer het wordt gedraaid, lijkt op een "multi-helix" van spiraalvormige microkanalen rond een centrale as (Fig. 1 (a)).

De afgelopen jaren hebben we het gedrag van licht in een reeks verschillende soorten t-PCF bestudeerd, daarbij enkele verrassende fenomenen blootleggen en mogelijke toepassingen onderzoeken.

We gebruiken twee technieken voor het produceren van t-PCF. In de eerste, een niet-getwiste PCF wordt nabewerkt onder CO2-laserverwarming, de vezel wordt gemonteerd tussen een gemotoriseerde rotatietrap en een stijve steun (Fig. 2(a)). Terwijl de motor draait, de gefocusseerde laserstraal van 10 µm wordt langs de vezel gescand met behulp van een stuurspiegel die is bevestigd aan een nauwkeurig gemotoriseerd translatieplatform. Zodra de beoogde draaiperiode en de monsterlengte zijn ingesteld, het laservermogen en de scansnelheid worden zo gekozen dat de vezel wordt verwarmd tot de glasverwekingstemperatuur. Het schrijfproces is computergestuurd en kan draaiperioden van slechts 300 m bereiken. De tweede techniek omvat het spinnen van de glasvoorvorm tijdens het vezeltrekken, met behulp van een motor die draait met een paar duizend tpm en een roterende verbinding met meerdere inlaten voor het regelen van de druk in de holle kanalen (Fig. 2 (b)). Het heeft het voordeel dat lange lengtes (100 meter) spiraalvormige PCF met draaiperioden van enkele millimeters gemakkelijk kunnen worden vervaardigd.

Topologische effecten

De voortplanting van elektromagnetische golven in spiraalvormige structuren begon serieus in de jaren veertig, met de uitvinding van de lopende-golf buizenversterker. In dit apparaat wordt een microgolfsignaal langs een spiraalvormige draad geleid die rond een zich axiaal voortplantende elektronenbundel spiraalt. Aangezien de fysieke afstand waarover het spiraalvormige microgolfsignaal zich aflegt groter is dan de afstand direct langs de as, de groeps- en fasesnelheden worden beide effectief verminderd. Door een geschikt ontwerp kan het snelheidsverschil tussen de twee golven worden aangepast, waardoor het microgolfsignaal kan worden versterkt met vermogen van de elektronenstraal. Op een vergelijkbare manier, de geometrische uitrekking van de bekledingsstructuur in een t-PCF veroorzaakt de effectieve optische weglengte langs de as, en dus de effectieve brekingsindex, topologisch toenemen met straal ρ volgens de relatie neff(ρ) =n0(1 + α2ρ2)1/2 waarbij n0 de index is in het niet getwiste geval en α de draaisnelheid in rad/m (zie figuur 1(b)) .

Spectrale dips in t-PCF met enkele kern

Dit topologische effect maakt het bijvoorbeeld mogelijk om licht geleid in een centrale massieve glazen kern (modale index nc) in fase af te stemmen op de fundamentele ruimtevullende modus in de bekleding (fase-index nSM in de niet-getwiste vezel) met als resultaat dat licht kan uitlekken in bekledingsmodi bij bepaalde golflengten. Dit resulteert in een reeks dips in het transmissiespectrum, veroorzaakt door anti-kruisingen tussen de kernmodus en lekkende ringvormige bekledingsmodi (Fig. 1 (c)) met orbitaal impulsmoment (OAM), elke dip correspondeert met een andere OAM-order. Omdat het bekledingslicht door de holle kanalen wordt omgeleid in een spiraalvormig pad, de azimutale component van zijn golfvector moet waarden aannemen die een fase-vooruitgang in de omloopfase opleveren die een geheel veelvoud van 2π is, waar is de OAM-bestelling. Dit leidt tot de voorwaarde:

(ℓ λℓ) / (2π) =n _az =n _SM sinΨ ≈ n _SM ρ2 (1)

waar is de dipgolflengte van de OAM-volgorde, naz de azimutale component van de brekingsindex, en de lokale hoek tussen de holle kanalen en de vezelas. vgl. (1) levert een opmerkelijk goede overeenkomst op met experimentele metingen, wat in het bijzonder laat zien dat de dipgolflengten lineair schalen met de draaisnelheid. We hebben de twist- en strain-gevoeligheid van deze dips gebruikt om een ​​volledig optische twist-strain-transducer te construeren.

Spiraalvormige Bloch-golven

Het begrijpen van de fysica van lichtvoortplanting in t-PCF is behoorlijk uitdagend, omdat het natuurlijke coördinatensysteem - helicoïdaal - niet-orthogonaal is. Dit bracht ons ertoe een nieuw concept te introduceren:spiraalvormige Bloch-golven. De optische Bloch-golven van elke niet-getwiste periodieke structuur worden beschreven door het product van een periodieke functie P(r) (met periodiciteiten die overeenkomen met de structuur) en een term die het faseverloop van de Bloch-golf weergeeft. Een handig fysiek beeld voor de modi die in een t-PCF worden geleid, kan worden geconstrueerd door de stelling van Bloch te generaliseren, zodat de azimutaal periodieke functie de draai volgt, in de vorm waarin de radiale coördinaat en de azimuthoek zijn. Bij elke gegeven waarde van z, P herhaalt zich met hoekintervallen, waarbij N het aantal keren is dat de structuur zich herhaalt over één omwenteling 2π. De Bloch-golven kunnen vervolgens analytisch worden berekend met behulp van een expansie in termen van azimutale harmonischen van OAM-orde. Door dit veld Ansatz in de vergelijkingen van Maxwell in te vullen, kan de spreidingsrelatie worden afgeleid.

Om de eigenschappen van spiraalvormige Bloch-golven te onderzoeken, we hebben een t-PCF gefabriceerd met een ring van zes massieve glazen "satelliet" -kernen rond zijn as (Fig. 3 (a)). De holle kanalen hadden een diameter van 2 µm, op een afstand van 3 µm, en de twistsnelheid was 2,9 rad/mm. Deze structuur ondersteunt 6 niet-gedegenereerde spiraalvormige Bloch-modi met verschillende waarden van orbitaal impulsmoment, in zowel links als rechts circulair gepolariseerde toestanden. Om de OAM-volgorde van de modi te bepalen die door de t-PCF worden geleid, de uitvoer werd gesuperponeerd op een divergente Gauss-straal en het resulterende randpatroon werd afgebeeld met behulp van een CCD-camera. De enkel- en dubbelspiraalvormige interferentiepatronen in figuur 3 (b), die werden opgenomen bij een golflengte van 632,8 nm, bevestig dat de vezel optische wervelingen genereert en de grootte en het teken van de OAM voor alle vier de modi behoudt. Vergelijkbare experimenten uitgevoerd bij meerdere golflengten en voor vezels tot 50 m lang hebben bevestigd dat de t-PCF's de grootte en het teken van de OAM behouden.

Begeleiding van licht in verwrongen ruimte

We hebben een nieuw mechanisme van lichtgeleiding ontdekt, gebaseerd op een t-PCF zonder kern. Het splijten van de vezel en het onderzoeken van de dwarsdoorsnede onthult een volledige afwezigheid van enige structuur waarin licht zou kunnen worden opgesloten (zie figuur 4(a)). Desalniettemin ondersteunt het een geleide modus:de spiraalvormige draai creëert een topologisch kanaal waarin het licht stevig wordt opgesloten. Dit komt voort uit de kwadratische toename van de optische padlengte met straal (hierboven vermeld), die een radiale gradiënt in axiale brekingsindex produceert, het creëren van een potentiaalput waarbinnen licht wordt opgesloten door fotonische bandgap-effecten. Met behulp van wiskundige hulpmiddelen uit de algemene relativiteitstheorie, we hebben aangetoond dat de geodeten van het licht gesloten spiraalvormige paden volgen binnen het topologische kanaal, vormende modi die OAM dragen. Het effectieve gebied van deze modi neemt af met de draaisnelheid α, zodat door het variëren van de draaisnelheid langs de vezel, het zou mogelijk zijn om vezels te creëren waarvan de modusvelddiameter verandert met de positie. In tegenstelling tot conventionele indexgeleidende vezels, waarbij de geleide modus naar de buitenkant van de bocht verschuift ("normale bochten"), deze hoogst ongebruikelijke modus verschuift naar binnen in de richting van de bocht ("abnormale bochten"). Hamiltoniaanse optica laat zien dat de modus kan worden gezien als een negatieve effectieve massa (veroorzaakt door het tegenovergestelde teken van de kromming van het dispersieoppervlak), zodat het in de tegenovergestelde richting beweegt wanneer het wordt onderworpen aan buigkrachten.

conclusies

Het vermogen van t-PCF om OAM-modi te genereren en te ondersteunen, evenals het verstrekken van optische activiteit en circulair dichroïsme, suggereert dat het in veel toepassingen nuttig kan worden. De reeks transmissiedips op met twist-afstembare golflengten in solid-core PCF heeft toepassingen in detectie en filtering. De transmissie en het behoud van circulaire polarisatietoestanden maakt t-PCF zeer interessant voor stroomdetectie op basis van Faraday-rotatie. Het vermogen om zuivere OAM-toestanden over lange afstanden robuust te verzenden, kan leiden tot toepassingen in deeltjesmanipulatie en telecommunicatie. Het lijkt waarschijnlijk dat veel van deze effecten en fenomenen in de nabije toekomst naar toepassingen in de echte wereld zullen gaan. Tot nu toe onontgonnen is het gebruik van t-PCF in niet-lineaire optica en fiberlasers, waar de combinatie van circulaire en OAM dubbele breking met controle van groepssnelheidsdispersie kansen kan bieden voor nieuwe soorten mode-locked soliton-lasers, apparaten voor golflengteconversie en supercontinuümbronnen.