На рисунке изображен хитрый кран, который, как утверждает разработчик, экономит расход воды. Эта водяная картинка очень похожа на световой закрученный луч, о котором речь пойдет ниже. Ниже будет про закрученный свет — не про кран.
Закрученный свет известен людям очень давно. Ниже представлен древний наскальный выдолбыш, на котором изображены различные фазовые распределения закрученного луча.
Но если без шуток (тут обман кончается и начинается правда), то, пожалуй, историю вопроса мы опустим — кому она, рухлядь, надо?! — скажем только, что, кто хотел, тот действительно всё это знал давным давно. Ну вот, например, статья с приветом из 1940 года. Или вот — эксперименты Ричарда Беса (R.A. Beth) из 1936 г. Это когда лазеров еще не было, если что.
Интрига такая: знали давно, а душу из этих закрученных световых пучков взялись вытряхивать только сейчас.
Итак к сути. Закрученный свет — это луч света (обычно говорят «пучок»), который «летит винтом». Такой луч называется OAM beam. На рисунке ниже нарисованы фазовые поверхности этих хитрых лучей.
Чтобы эти непонятные красивые рисунки стали роднее, можно не вникать, что такое «фаза», а просто представить себе, как из этих загнутых листочков перпендикулярно вылетают световые фотончики (пусть они будут например воображаемыми песчинками) — тогда понятно как такие песчинки будут давить на листочек бумаги — песчинки будут хотеть его закручивать (но у песчинок скорее всего ничего не выйдет, потому что лист бумаги слишком здоровый для них, слабеньких).
Собственно этим и пользуются люди, когда хотят повернуть какую-нибудь мелюзгу под микроскопом — светят закрученным светом и мелюзга поворачивается. Вот так примерно (взято тут):
Тут частички по спирали двигаются, но можно как оказалось изловчиться и заставить крутиться волчком всего лишь одну частичку.
От струек воды «струйки» фотонов отличаются тем, что водяные струйки могут заворачиваться и прилипать друг к другу, а фотоны друг друга не сильно чувствуют и хотят лететь прямо сквозь друг друга, примерно как на рисунке — вдоль палочек:
И вот мы уже имеем грубую физическую модель светового закрученного пучка «на палочках и веревочках». Из этой модели наглядно видно одну проблему — пучок неплохо так расширяется (сильно лучше, чем ровный обычный лазерный свет). Например захочет кто-нибудь посветить таким пучком на Луну и не сможет — не дострельнет, распылится луч. На три километра только светануть получается (по ссылке в предыдущем предложении так написано). Большие космические расстояния для такого пучка — это немного проблема, поэтому если кто-то успешно решает её, то всем другим становится интересно и все другие уважают такого решателя. Ну да ладно.
Если к каждой палочке из верхнего рисунка привязать по лазерной указке, то получится как-то так:
Понятно, что каждый лучик можно заставить мигать отдельно и такой пучок лучей будет передавать больше информации, чем один луч — мигалок же больше.
И еще прелесть — если затолкать такой пучок света в оптоволокно, то он не сильно-то и расширится — как миленький по оптоволокну полетит. Немного похоже на какое-нибудь винтовое течение в трубе:
Вот примерно так и повышают скорость передачи информации в оптоволокне: толкают туда столько лучей, сколько влезет. А ведь это полезно и сейчас, когда оптоволокно уже проложено под океанами, и еще станет полезным, когда кубиты «в каждый дом войдут».
Возможно (в силу таланта наших журналистов, которые всё на свете преподносят как великое откровение) кому-то кажется, что закрученный свет — это что-то исключительное, что это какое-то последнее достижение науки — свежак!, что свет закрутить могут только очень древние колдуны лазерного ордена… да и то только когда маны — 200. Именно в этом свете мы упомянем спеклы — яркие зернышки в лазерном пятне на экране, которые постоянно мельтешат.
Все, кто брал в руки лазерную указку и рассматривал пятнышко на стенке, все видели эти зернышки и мучились вопросом: «Почему?! Ведь яйцеголовые вроде бы говорят, что лазерный свет — это ровный свет, так откуда тогда пятна в этом хорошем ровном свете?» Ребята, лазер — это сильно ровный свет. И если на его пути появляется пылинка (допустим, в воздухе), то свет сразу её чувствует, загибается, интерферирует и, главное для нас, закручивается (как струя воды, если палец подставить)… в общем спеклы — это тоже закрученный свет.
Закрутить свет — это просто. Свет сам закручивается, даже когда его никто не просит. Потому что неоднородностей и всякого мусора в воздухе полно. И закручивается, паразит, как попало, а не как нам надо (мы никакого закрученного пучка специально не делали). Однако люди и тут придумали, куда эти спеклы приспособить — по спеклам анализируют качество поверхности, состояние нашей атмосферы, орбиты двойных звезд или, например, ищут экзопланеты (сложновато людям в простой телескоп рассмотреть далекую планету-пылинку на фоне её звезды-прожектора).
Еще можно, ни о чем таком не подозревая, случайно закрутить свет, если свернуть в бухточку оптоволокно (можно просто согнуть как попало), по которому этот свет шел раньше ровно и незакрученно. «Большая наука» потом получается у таких горе-экспериментаторов. Свет в оптоволокне это… это… ну это примерно как экспериментатор на горках (можно и шею сломать):
И конечно свет можно закрутить специально, со знанием дела. Надо только на пути его что-нибудь поставить специальное: пластинку какую-нибудь хитро-прозрачную, решетку неровную или поверхность с плазмонами. Ну там своя кухня.
Напоследок для сохранения тонуса прослушаем внезапное сообщение: "бывает вращающийся пучок света с нулевым орбитальным угловым моментом" (ага, вращается, но не крутится, хе-хе) — такой вот «печальный» факт.
Спасибо за внимание
Если статья Вам показалась легковесной, то всё правильно — автор не сгущал туман тяжелыми наукообразными терминами и, одновременно, старался беречь Вас от страшной реальности с матаном и прочей нудятиной, используя лишь пальцевое объяснение (в ущерб строгости и длинноте). Проблем, задач и сложностей в деле закрученного света полно, но это другая история.
Кому интересно еще про закрученный свет, тому ссылка:
A. M. Yao and M. J. Padgett, “Orbital angular momentum:origins, behavior and applications,” Adv. Opt. Photon. 3,161–204 (2011).
И конечно можно еще ключевые слова (метки) погуглить.
Автор: FransuaMaryDelone
