Оптические вихри

Красноярские ученые изучили поведение света на вилочковых решетках и впервые наблюдали на них проявление эффекта Тальбота. Примечательно, что эффект проявляется совместно с оптическими сингулярностями. Полученные данные приоткрывают завесу в удивительный мир сингулярной оптики ближнего поля. Об открытии сообщается в пресс-релизе Красноярского научного центра Сибирского отделения Российской Академии наук.

Оптический эффект Тальбота хорошо известен и наблюдается для решеток со строго периодической структурой. Его суть заключается в том, что при прохождении через периодическую решетку световое поле перераспределяется в пространстве таким образом, что в одних местах световые волны складываются в фазе и дают максимумы интенсивности света, а в других, напротив, наблюдаются минимумы. Возникающие в результате этого пространственно-периодические структуры представляют собой ковры Тальбота. В результате на определенных расстояниях за решеткой формируются изображения исходной периодической решетки, которые многократно повторяются через равные промежутки.

Ученые ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» экспериментально исследовали дифракцию света на вилочковых решетках и впервые обнаружили для них оптический феномен, аналогичный эффекту Тальбота, который сосуществует в этих структурах с оптическими сингулярностями. Вилочковые решетки — частный случай периодических решеток с локальными дефектами периодичности. Их основной особенностью является возможность получения массивов оптических вихрей. Физики рассмотрели дифракцию в ближнем поле на вилочковой решетке путем сканирования светового поля в области за решеткой. В результате дифракции света на такой решетке на некотором удалении от нее возникает упорядоченный массив вихревых оптических пучков — аналог эффекта Тальбота, который существует «в гармонии» с оптическими сингулярностями.

«Оптические вихри представляют собой уникальный физический объект. Они содержат особые точки — оптические сингулярности, в которых фаза не имеет определенного значения, а интенсивность обращается в нуль. Оптические вихри уже нашли применения в высокоразрешающей микроскопии и устройствах оптических пинцетов. Удивительно было обнаружить, что рождающиеся за периодической решеткой оптические сингулярности не разрушают регулярные распределения поля — ковры Тальбота, а всего лишь вносят в них искажения на начальных этапах распространения, то есть "перекраивают" их, а затем "скрываются" в минимумах интенсивности в плоскостях Тальбота. Это свидетельствует о симбиозе оптических сингулярностей с эффектом самовосстановления оптических полей в результате эффекта Тальбота», — рассказал один из авторов работы, заместитель директора по научной работе Института физики им. Л. В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН Андрей Вьюнышев.

Исследователи отметили, что полученные знания представляют интерес для фундаментальной науки и обогащают сингулярную оптику ближнего поля. «Изучение фундаментальных основ формирования и распространения оптических вихрей дает более глубокое понимание физической природы, стоящей за рассматриваемыми явлениями, и открывает новые возможности для развития элементной базы интегральных устройств фотоники», — резюмировал заведующий лабораторией когерентной оптики Института физики им. Л. В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН Василий Архипкин.

Результаты исследования опубликованы в журнале AnnalenderPhysik.