Thursday, May 21, 2015

Vortices opticos

http://www-optica.inaoep.mx/tecnologia_salud/2013/1/memorias/carteles/MyT2013_21_E.pdf http://scifunam.fisica.unam.mx/mir/copit/TS0011ES/Volke.pdf
http://scifunam.fisica.unam.mx/mir/copit/TS0011ES/TS0011ES.html
http://docsetools.com/articulos-utiles/article_108194.html

Micromanipulación Óptica

foto Partículas de 5 micras acomodadas usando una pinza óptica para formar las siglas IF.
Gracias a sus propiedades dinámicas como transporte de energía y momento lineal, que se ponen de manifiesto al interaccionar con la materia, la luz puede ser utilizada como una delicada herramienta para mover y controlar pequeños objetos, como partículas cuyos diámetros van desde decenas de nanómetros hasta decenas de micras, e incluso átomos, iones o moléculas.

La trampa de luz mas simple se conoce con el nombre de pinzas ópticas, y consiste de un solo haz láser fuertemente enfocado que permite atrapar partículas individuales en la región focal. Las partículas dieléctricas cuyo índice de refracción es mayor que el del medio que las rodea son atraídas hacia las regiones de máxima intensidad de luz. Aquellas cuyo índice es menor que el del medio (por ejemplo, burbujas de aire en agua) son repelidas de los máximos de intensidad o, en otras palabras, se pueden atrapar en los mínimos de intensidad.
Sin embargo, ante una distribución periódica (o cuasi-periódica en una región de interés) de intensidad, el comportamiento de las partículas puede variar, ya que depende de la relación de tamaño entre la partícula y el periodo de la distribución de luz.
En esta área hemos realizado contribuciones, por ejemplo, en el desarrollo de un sistema de separación de partículas microscópicas, al que le llamamos eltamiz óptico.
Mas recientemente, utilizamos un sistema de micromanipulación óptica para estudiar el transporte de partículas mediante un mecanismo que permite inducir un movimiento consistente de las partículas en una dirección determinada, aún cuando la suma de las fuerzas involucradas en el sistema da una resultante nula. La interrelación entre la fuerza óptica ejercida por un patrón de luz periódico y asimétrico, y una fuerza externa oscilatoria de promedio cero, conduce a un comportamiento dinámico sorprendente, aún en el caso más simple en que el ruido térmico es despreciable. Este tipo de sistemas constituye un modelo dinámico conocido como rueda dentada o matracas (en inglés ratchets). Con un ratchet óptico pudimos probar por primera vez un fenómeno conocido como inversión de corriente, que se había predicho hace ya más de una década de manera teórica, y pudimos observar también corrientes opuestas para partículas de distinto tamaño dentro de un mismo potencial óptico (patrón de luz).

foto Esquema del mecanismo ratchet. Las partículas circulan en diferente dirección de acuerdo a su tamaño.
foto Partículas de 5 micras orbitando en un haz Bessel de orden 2 por transferencia de momento angular orbital.
Otra de las líneas que investigamos desde hace ya más de una década, es la de estudiar las propiedades dinámicas de algunos tipos de haces de luz estructurados, como vórtices ópticos, utilizando técnicas de micromanipulación óptica. En este contexto, se mostró por ejemplo, que el momento angular orbital de haces Bessel de orden superior puede ser transferido a la materia, provocando su rotación orbital alrededor del eje del haz. Esto es en contraste con la rotación que puede ser provocada por la interacción de objetos birrefringentes con luz circularmente polarizada, la cual ocurre con respecto a un eje propio de la partícula y se conoce como transferencia de momento angular de espín. Cuando el eje de la partícula coincide con el eje del haz, y ésta es absorbente, los efectos mecánicos del momento angular orbital y de espín son aditivos.
Hay haces de luz con estructura de muy diversos tipos, y casi cualquiera de ellos se puede generar experimentalmente, lo cual permite hacer trampas de luz muy versátiles, prácticamente a medida de las necesidades de cada usuario.

Haces de luz estructurados

Un haz de luz se caracteriza por su intensidad (que es el módulo cuadrado de su amplitud), su fase y su estado de polarización. En cualquiera de estos grados de libertad, en dos de ellos o en los tres, puede existir estructura, es decir, una variación espacial de punto a punto, que sigue un cierto patrón. De hecho, la intensidad y la fase están en general relacionadas. Los cambios abruptos de la fase o aquellos puntos donde ésta queda indefinida dan lugar a dislocaciones de los frentes de onda o singularidades de fase. Esos puntos o regiones del espacio son completamente oscuros, es decir, corresponden a nodos de intensidad. El ejemplo mas simple es un patrón de franjas de interferencia con visibilidad perfecta (dos ondas coherentes de la misma intensidad interfiriendo entre sí, máximo contraste); entre dos franjas consecutivas hay una diferencia de fase de π radianes y, por lo tanto, entre ellas hay un nodo, o región de intensidad nula. Otro ejemplo, más interesante, es el de los vórtices ópticos. Estos son singularidades de tipo tornillo, cuyos frentes de onda tienen una forma parecida a la del fusili, es decir, son helicoidales y rotan en el tiempo a una velocidad proporcional a la frecuencia angular de la luz. Por este motivo, los vortices ópticos son portadores de momento angular orbital, con respecto a su eje de simetría, que corresponde a un punto oscuro rodeado de un anillo de luz en la sección transversal del haz, puesto que la fase no está definida en ese punto. Los haces Bessel y los Laguerre-Gauss, de simetría circular, son ejemplos de vórtices ópticos. Los vórtices se caracterizan por un parámetro conocido como carga topológica, que denota el número de ciclos en que la fase varía de cero a 2π alrededor del vórtice. En vórtices tipo Bessel o Laguerre-Gauss, la carga topológica también se conoce como el órden del haz. Por cierto, los vórtices en un campo ondulatorio no son privativos del campo óptico, también hay vórtices, por ejemplo, en ondas de materia (como haces electrónicos o condensados de Bose-Einstein), vórtices en ondas de superficie en agua y vórtices acústicos. De hecho, en el grupo demostramos la transferencia de momento angular acústico mediante vórtices de sonido.
Las figuras que se muestran a continuación ilustran algunos ejemplos de haces estructurados generados experimentalmente en el grupo.
foto Haz Bessel de orden 1 (vórtice óptico).
foto Haz Mathieu de orden 6, impar (tipo seno elíptico).
foto Haz con simetría de tipo parabólico.
foto Interferencia entre un haz Laguerre-Gauss de orden 2 y un haz Gaussiano.
Cabe mencionar que lo único que nuestro ojo es capaz de detectar son distribuciones de intensidad; para inferir estructura de fase o de polarización, es necesario recurrir a métodos de detección indirectos. En el caso de la fase, estos métodos pueden basarse en técnicas de interferencia y/o difracción.
El vórtice se da un número, se llama la carga topológica, de acuerdo con el número de giros de la luz hace en una longitud de onda. El número es siempre un número entero, y puede ser positiva o negativa, dependiendo de la dirección de la torsión. Cuanto más alto sea el número del giro, más rápido que la luz se gira alrededor del eje. Este giro lleva momentum angular orbital con el tren de ondas, y se induce torsión en un dipolo eléctrico.
Este momento angular orbital de la luz se puede observar en el movimiento orbital de las partículas atrapadas. Interferir un vórtice óptico con una onda plana de la luz revela la fase espiral como espirales concéntricas. El número de armas en la espiral es igual a la carga topológica.
Los vórtices ópticos son estudiadas por la creación de ellos en el laboratorio de diversas maneras. Pueden ser generados directamente en un láser o un haz de láser se pueden girar en torbellino con un ordenador "tenedor" generada holograma. El holograma "tenedor" se puede utilizar en un modulador de luz espacial, un tipo especializado de pantalla de cristal líquido controlado por un ordenador, o en una rejilla de difracción en una película o una pieza de vidrio.

Propiedades

Una singularidad óptica es un cero de un campo óptico. La fase en el campo circula alrededor de estos puntos de intensidad cero. Los vórtices son puntos en los campos en 2D y líneas en los campos en 3D. La integración de la fase del campo alrededor de una trayectoria que encierra un vórtice produce un múltiplo entero de. Este entero es conocido como la carga topológica, o la fuerza, del vórtice.
Un modo de hipergeométrica-gaussiana tiene un vórtice óptico en su centro. El haz, que tiene la forma
es una solución a la ecuación de onda paraxial que consiste en la función de Bessel. Los fotones en un rayo hipergeométrica de Gauss-tienen un momento angular orbital de mh. El número entero m también da la fuerza del vórtice en el centro de la viga. Momento angular de espín de la luz polarizada circularmente se puede convertir en el momento angular orbital.

Creación

Modos hipergeométrica de Gauss-se pueden crear con una placa de espiral fase, hologramas generados por ordenador, modo de conversión, q-placa o un modulador espacial de luz.
Placas de fase espirales estáticas son piezas en forma de espiral de cristal o de plástico que se dirige específicamente a la carga topológica deseada y la longitud de onda incidente. Ellos son eficientes, pero costosos. SPPs ajustables se pueden hacer moviendo una cuña entre las dos caras de una pieza agrietada de plástico.
Hologramas generados por computadora son el interferograma calculada entre una onda plana y un haz de Laguerre-Gauss que se transfiere a la película. El CGH se asemeja a una red de difracción lineal Ronchi común, salvo una dislocación "tenedor". Un haz láser incidente crea un patrón de difracción con vórtices cuya carga topológica aumenta con la orden de difracción. El orden cero es gaussiana, y los vórtices tienen helicidad opuesta a ambos lados de este haz no difractado. El número de dientes en el tenedor CGH está directamente relacionada con la carga topológica de la primera orden de difracción vórtice. El CGH se encendió dirigir más intensidad en el primer orden. Blanqueamiento transforma a partir de un rejilla de intensidad a una rejilla de fase, que aumenta la eficiencia.
Modo de conversión requiere modos Hermite-Gauss, que se puede hacer fácilmente en el interior de la cavidad láser o externamente por medios menos precisos. Un par de lentes de astigmatismo introduce un desplazamiento de fase Gouy que crea un haz de LG con índices azimutales y radiales que dependen de la entrada de HG.
Un modulador espacial de luz es un dispositivo electrónico controlado por ordenador que puede crear vórtices dinámicos, matrices de vórtices y otros tipos de vigas.
A frecuencias de radio que es trivial para producir un vórtice. Basta con disponer un anillo de diámetro de longitud de onda media de las antenas de tal que el desplazamiento de fase de las antenas de transmisión varía un múltiplo entero de 2p alrededor del anillo.

q-plate

Un q-placa es una placa de cristal líquido birrefringente con una distribución acimutal del eje óptico local, que tiene una carga q topológica en su defecto centro. El q-placa con carga topológica q puede generar un vórtice cargo basado en la polarización del haz de entrada.

Aplicaciones

Planetas extrasolares han sido recientemente detectado directamente, ya que su estrella es tan brillante. Se ha avanzado en la creación de un coronógrafo de vórtice óptico para observar directamente planetas con muy baja relación de contraste a su padre para ser observados con otras técnicas.
Los vórtices ópticos se utilizan en las pinzas ópticas para manipular partículas de tamaño micrométrico tales como las células. Tales partículas se pueden girar en órbitas alrededor del eje de la viga usando OAM. Micro-motores también se han creado utilizando pinzas de vórtices ópticos.
Ordenadores actuales utilizan electrones que tienen dos estados, cero y uno. La computación cuántica podría utilizar la luz para codificar y almacenar información. Los vórtices ópticos tienen teóricamente un número infinito de estados, ya que no hay límite a la carga topológica. Esto podría permitir la manipulación de datos más rápida. La comunidad de la criptografía también está interesado en vórtices ópticos, ya que pueden comunicarse mediante un mayor ancho de banda de la información. Sin embargo, que se necesitan nuevos avances en fibras ópticas, ya que las fibras ópticas existentes cambian el giro de los vórtices ópticos cuando se dobla o estresado.
Ondas de radio Twisted podrían aumentar la eficiencia del espectro de radio mediante el uso de un gran número de estados de torbellino,. No es un trabajo experimental en el momento angular orbital multiplexación en el dominio óptico.

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