Про закрученный свет

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 ^[1] с приветом из 1940 года. Или вот ^[2] — 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 ^[3]. 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 ^[4]):

Тут частички по спирали двигаются, но можно как оказалось ^[5] 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 не сильно чувствуют ^[6] 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 ^[7] 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 ^[8], и еще станет полезным, когда кубиты «в каждый дом войдут» ^[9].

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 ^[10] — 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 ^[11] или, например, ищут экзопланеты ^[12] (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 ^[13]" (ага, вращается, но не крутится ^[14], 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

Источник ^[15]