De optische vortex speelt een steeds belangrijkere rol bij optische informatieverwerking. Als informatiedrager het verbetert de capaciteit van kanalen en biedt een onafhankelijk aspect voor analyse - anders dan polarisatie, intensiteit, fase, en pad. Een nieuwe mate van vrijheid voor het coderen en coderen van optische informatie kan worden verschaft via niet-lineaire optica, met behulp van wervelstralen bekend als azimuthons, die een baanimpulsmoment dragen en nu kunnen worden gemaakt om een ​​wederzijds conversiepatroon te vertonen dat bekend staat als Rabi-oscillatie.

Een kwantumeffect genoemd naar Isidor Rabi, ontvanger van de Nobelprijs voor Natuurkunde in 1944, Rabi-oscillatie duidt op een periodieke beweging - een soort floppen - tussen twee verschillende energieniveaus in de aanwezigheid van een oscillerend aandrijfveld. Het effect wordt ook onderzocht in fotonica, waarbij het oscillerende aandrijfveld kan worden nagebootst door een lichte periodieke longitudinale modulatie van de brekingsindexverandering van het medium. Tot nu, Rabi-oscillaties zijn meestal bestudeerd in lineaire systemen, maar de meest interessante fenomenen duiken meestal op in het niet-lineaire rijk.

Azimuthons vertonen een constante rotatie bij voortplanting, maar ze zijn over het algemeen onstabiel, dus ze vallen meestal uiteen tijdens het voortplantingsproces. Een oplossing voor dat instabiliteitsprobleem wordt gevonden in niet-lineariteit, zoals voorgesteld door een onderzoeksteam onder leiding van Yiqi Zhang van de Xi'an Jiaotong University, die onlangs zwak niet-lineaire golfgeleiders aantoonde die de stabiele voortplanting van azimuthonen garanderen. Hun rapport is gepubliceerd in Geavanceerde fotonica .

niet-lineair, multimodale golfgeleider:van rotatie naar oscillatie

Het team bepaalde specifieke vereisten voor een zwakke niet-lineariteit:(1) zowel de lineaire als niet-lineaire geïnduceerde indexveranderingen zijn klein in vergelijking met de omgevingsbrekingsindex, en (2) de geïnduceerde niet-lineaire indexverandering is veel kleiner dan de lineaire. Hun theoretisch onderzoek toonde aan dat de diepte van de geïnduceerde potentiaal nauw verband houdt met de transversale grootte van de golfgeleider. Dit gaf aan dat multimode optische vezels zouden kunnen worden gebruikt om een ​​diepe potentiële energiebron te verkrijgen die ook ondiepe modulatie mogelijk zou maken.

Met deze elementen in het achterhoofd, Zhang en collega's ontwikkelden een zwak niet-lineaire golfgeleider die expliciet multimode is. Ze combineerden verschillende modi met verschillende modale distributies. Door een π-faseverschuiving en een amplitudemodulatie in één modus te introduceren, en dan de andere over elkaar heen leggen, ze verkregen een azimutaal gemoduleerde vortex. Dankzij de aanwezigheid van niet-lineariteit en een zwakke longitudinale periodieke modulatie van de potentiaal, de azimutaal gemoduleerde vortex roteert met een vaste hoeksnelheid tijdens voortplanting en vertoont Rabi-oscillatie (flopping) tussen de twee modi.

De auteurs merkten op dat de ruimtelijke symmetrie van de zich voortplantende bundel periodiek zal veranderen in het proces. Volgens de theorie van de gekoppelde modus, Rabi-oscillaties worden voornamelijk beïnvloed door de longitudinale modulatiesterkte en de ruimtelijke symmetrie van de gesuperponeerde azimuthonen. Zonder longitudinale modulatie, de azimuthon roteert met een constante snelheid en het profiel blijft behouden. Maar, met lichte longitudinale modulatie, onderlinge omzetting van verschillende azimuthonen kan worden waargenomen tijdens voortplanting:de Rabi-oscillaties.

Senior auteur Yiqi Zhang, universitair hoofddocent aan de School of Electronic Science and Engineering van Xi'an Jiaotong University, opmerkingen, "Aangezien ons model hogere orde azimuthons ondersteunt met hogere topologische ladingen, er zijn veel keuzes om het baanimpulsmoment te selecteren dat door de lichtstralen wordt gedragen. Echter, de Rabi-oscillatie kan alleen plaatsvinden tussen azimuthons met bepaalde profielen. We hebben nu enkele ideeën om die beperking te overwinnen, dus we zullen ons onderzoek voortzetten."

Soorten draaikolken

Naast zijn belofte voor het verbeteren van optische informatieverwerking, de demonstratie van Rabi-oscillaties van azimuthonen draagt ​​bij tot een beter begrip van de rotatiedynamiek van wervels en de inherente rol van niet-lineariteit bij het reguleren van die dynamiek. Geïntrigeerd door ruimtelijke veldmanipulatie in niet-lineaire optische systemen, de auteurs merken op dat hun bevindingen belangrijk zijn voor mogelijke vooruitgang in fotonica, bijvoorbeeld in spiraalvormige golfgeleiders of topologische isolatoren. Breder, hun inzichten kunnen bijdragen aan een beter begrip van alledaagse fenomenen als cyclonen of tornado's, of draaikolken die zich vormen in het kielzog van een vliegtuig.