Ученые Научно-образовательного центра «Физика и технология гетерогенных материалов и наногетероструктур» СПбПУ провели исследование преломления света излучения лазеров и светодиодов. Результаты исследования имеют большой потенциал применения в оптической связи на больших расстояниях, оптическом шифровании и визуализации объектов «за углом».
Статья опубликована в журнале Scientific Reports, входящем в семейство журналов Nature. Проект «Развитие и реализация прорывных исследований и разработок в области полупроводниковой фотоники» ведется в рамках реализации стратегического проекта «Технополис «Политех» программы «Приоритет-2030».
Применение оптических систем для решения задач квантовой информатики является одной из наиболее быстро развивающихся областей квантовой оптики. В частности, для передачи квантовой информации сейчас активно используются вихревые состояния света с ненулевым угловым орбитальным моментом (аналогом механического вращения).
Однако, для дальнейшего уплотнения каналов квантовой связи необходимо развивать направления, связанные с созданием состояний света с запутанными поляризационными и орбитальными степенями свободы. Такие состояния можно получить при пропускании света вдоль одной из осей двуосного кристалла, а возникающее явление называется коническая рефракция (преломление света).
Можно выделить три свойства конической рефракции, которые делают исследования этого явления особенно актуальными. Прежде всего, коническая рефракция обладает нетривиальной пространственной эволюцией, которая используется для оптической обработки изображений и микроскопии высокого разрешения. Во-вторых, коническая рефракция обладает пространственно-неоднородной поляризационной структурой, которая может быть полезна для мультиплексирования и демультиплексирования, формирования моно- или полихроматического структурированного света, поляриметрических измерений и оптических датчиков.
И, в-третьих, волновой фронт конической рефракции обладает нетривиальными вихревыми свойствами, связанными с дробным орбитальным угловым моментом. Эта особенность конической рефракции обеспечивает важные практические приложения, такие как генерация и аннигиляция оптических вихрей для манипулирования микрообъектами в биологии и медицине.
В своей работе ученые СПбПУ исследовали коническую рефракцию от частично когерентных источников света, таких как лазерные диоды и светодиоды, так как такие излучатели крайне просты, компактны и экономичны в использовании.
«Мы переформулировали и значительно упростили математический формализм теории, что позволило объяснить и строго обосновать ранее полученные экспериментальные результаты и предсказать новые явления. К последним относятся уменьшение фокального пятна, длины распространения и бездифракционное распространение при уменьшении когерентности излучения.
Новые эффекты могут позволить генерировать хорошо контролируемые и динамически настраиваемые бутылочные пучки для применений в микроскопии высокого разрешения, а также для оптического манипулирования и захвата микрообъектов», – прокомментировал результат исследования доктор физико-математических наук, профессор РАН, ведущий научный сотрудник Научно-образовательного центра СПбПУ «Физика и технология гетерогенных материалов и наногетероструктур» Григорий Соколовский. В дальнейшем исследователи планируют провести эксперимент для подтверждения предсказаний, полученных в рамках теоретического исследования.