In veel situaties, het is eerlijk om te zeggen dat licht zich in een rechte lijn voortplant zonder dat er onderweg veel gebeurt. Maar licht kan ook complexe patronen en gedragingen verbergen die alleen een zorgvuldige waarnemer kan ontdekken.

Dit is mogelijk omdat licht zich als een golf gedraagt, met eigenschappen die bij een aantal interessante fenomenen een rol spelen. Een dergelijke eigenschap is fase, die meet waar u zich op een golvende golf bevindt - of u nu op een piek zit, een dal of ergens daar tussenin. Wanneer twee (anders identieke) lichtgolven elkaar ontmoeten en uit fase zijn, ze kunnen met elkaar interfereren, combineren om ingewikkelde patronen te creëren. Fase is een integraal onderdeel van hoe lichtgolven met elkaar omgaan en hoe energie stroomt in een lichtstraal of lichtpuls.

Onderzoekers van de Universiteit van Maryland, onder leiding van UMD natuurkunde professor Howard Milchberg, hebben nieuwe manieren ontdekt waarop de lichtfase optische kransen kan vormen - patronen die bekend staan ​​als spatiotemporele optische vortices (STOV's). In een artikel gepubliceerd in het tijdschrift optiek op 18 december 2019, de onderzoekers vingen het eerste beeld op van deze fasevortices die zich in ruimte en tijd bevinden, het ontwikkelen van een nieuwe methode om ultrasnelle lichtpulsen waar te nemen.

Elke STOV is een lichtpuls met een bepaald patroon van intensiteit - een maat voor waar de energie is geconcentreerd - en fase. In de STOV's opgesteld door Milchberg en zijn medewerkers, de intensiteit vormt een lus in ruimte en tijd die de onderzoekers beschrijven als een vliegende donut op de rand:als je de hartslag naar je toe zou zien vliegen, je zou alleen de rand van de donut zien en niet het gat. (Zie de meest linkse afbeelding hieronder, waar negatieve tijden eerder zijn.) In hetzelfde gebied van ruimte en tijd, de fase van de lichtpuls vormt een wervelend patroon, het creëren van een vortex gecentreerd op het donutgat (meest rechtse afbeelding).

Milchberg en collega's ontdekten STOV's in 2016 toen ze structuren vonden die lijken op "optische rookringen" die zich rond intense laserstralen vormen. Deze ringen hebben een fase die varieert rond hun rand, als de luchtstromen die rond een rookring wervelen. De wervelingen die in de nieuwe studie zijn gemaakt, hebben een vergelijkbare maar eenvoudigere structuur:als je de originele rookring ziet als een armband gemaakt van kralen, de nieuwe STOV's zijn als de afzonderlijke kralen.

Het eerdere werk toonde aan dat STOV's een elegant kader bieden voor het begrijpen van een bekend lasereffect met hoge intensiteit:zelfsturend. Bij hoge intensiteit, dit effect treedt op wanneer een laserpuls, interactie met het medium waar het doorheen reist, drukt zichzelf samen tot een strakke balk. De onderzoekers toonden aan dat in dit proces, STOV's zijn verantwoordelijk voor het sturen van de energiestroom en het hervormen van de laser, energie samen aan de voorkant en uit elkaar aan de achterkant.

Die eerste ontdekking keek naar hoe deze ringen zich in twee dimensies rond een lichtstraal vormden. Maar de onderzoekers konden de interne werking van de wervels niet onderzoeken omdat elke puls te kort en te snel is voor eerder vastgestelde technieken om vast te leggen. Elke puls gaat in slechts femtoseconden voorbij - ongeveer 100 biljoen keer sneller dan een oogwenk.

"Dit zijn geen pulsen van microseconden of zelfs nanoseconden die je gewoon met elektronica vastlegt, " zegt Sina Zahedpour, een co-auteur van het papier en UMD natuurkunde postdoctoraal medewerker. "Dit zijn extreem korte pulsen die je nodig hebt om optische trucs te gebruiken om beelden te maken."

Om zowel de intensiteit als de fase van de nieuwe STOV's vast te leggen, onderzoekers moesten drie extra pulsen voorbereiden. De eerste puls ontmoette de STOV in een dun glazen raam, het produceren van een interferentiepatroon gecodeerd met de STOV-intensiteit en fase. Dat patroon werd uitgelezen met twee langere pulsen, het produceren van gegevens zoals weergegeven in de afbeelding hierboven.

"De gereedschappen die we voorheen alleen naar de amplitude van het licht keken, " zegt Scott Hancock, een UMD-student natuurkunde en eerste auteur van het artikel. "Nutsvoorzieningen, we kunnen het volledige beeld krijgen met fase, en dit is het bewijs dat het principe werkt voor het bestuderen van ultrasnelle verschijnselen."

STOV's kunnen een veerkracht hebben die nuttig is voor praktische toepassingen omdat hun draaien, schroefachtige fase maakt ze robuust tegen kleine obstakels. Bijvoorbeeld, zoals een STOV door de lucht reist, delen van de puls kunnen worden geblokkeerd door waterdruppels en andere kleine deeltjes. Maar terwijl ze verder gaan, de STOV's hebben de neiging om de kleine secties in te vullen die zijn uitgeschakeld, het repareren van kleine schade op een manier die kan helpen om alle informatie die in de puls is vastgelegd, te behouden. Ook, omdat een STOV-puls zo kort en snel is, het is onverschillig voor normale schommelingen in de lucht die relatief langzaam zijn.

"Gecontroleerde generatie van spatiotemporele optische wervels kan leiden tot toepassingen zoals de veerkrachtige verspreiding van informatie of bundelvermogen door turbulentie of mist, " zegt Milchberg. "Deze zijn belangrijk voor toepassingen zoals optische communicatie in de vrije ruimte met behulp van lasers of voor het leveren van stroom van grondstations aan luchtvoertuigen."