Исследовательская команда из ФИЦ КНЦ СО РАН и Сибирского федерального университета совершила значимый прорыв в области контроля характеристик закрученного света. Специалисты не только вычислили, но и лабораторно доказали возможность управления не только числом и формой дифракционных максимумов пересекающихся пучков, но и значением их орбитального углового момента. Такое достижение открывает перед учеными перспективы для повышения эффективности оптических средств передачи информации и создания новых методик хранения и селекции данных.
Образ макарон и физика закрученного света
Чтобы вызвать ассоциации с закрученным светом у широкой публики, часто прибегают к иллюстрациям с макаронами-фузилли — их спиральная структура очень напоминает траекторию светового пучка с орбитальным угловым моментом. Однако за этим простым сравнением скрывается сложная и чрезвычайно перспективная область современной оптики. Понимание того, как свет может обладать различными видами закрученности, напрямую связано с понятием о его орбитальном угловом моменте, свойства которого дают уникальные возможности для преобразования, кодирования и переноса информации.
Преимущества закрученного света для цифровых технологий
Интерес научного сообщества к закрученному свету обусловлен его потенциалом для радикального расширения пропускной способности оптических каналов связи. Каждый пучок с определённым орбитальным угловым моментом может играть роль отдельного носителя информации, а совокупность таких пучков позволяет существенно увеличить емкость линий связи. Управлять светом традиционно возможно по его мощности и включению-выключению. Добавление же еще одного параметра — орбитального углового момента — увеличивает число уникальных комбинаций, а значит, и количество данных, передаваемых по одному и тому же сигналу. Так возникают новые направления развития как фундаментальной оптики, так и современных коммуникационных систем.
Экспериментальные решения команды Красноярского научного центра
Коллектив ученых ФИЦ КНЦ СО РАН и СФУ осуществил и математическое моделирование, и практическую реализацию устройства для контроля дифракционных картин из закрученного света. Конструкция комплекса включает гелий-неоновый лазер, световой модулятор, оптическую линзу и приемную камеру. Ключевой элемент — уникально сконфигурированный модулятор, позволяющий изменять не только количество и распределение световых максимумов, но и точно управлять величиной орбитального углового момента каждого из них. Повышение числа компонентов с различными угловыми моментами дает в результате гораздо больше вариантов неповторяющихся дифракционных рисунков, что особенно важно для задач селективной и надежной передачи информации.
Слова Андрея Вьюнышева о значимости исследования
Один из ведущих участников работы, кандидат физико-математических наук Андрей Вьюнышев, подчеркнул, что предложенный подход позволяет гибко регулировать расположение и количество дифракционных максимумов. Эта методика эффективна не только для одномерных (одиночный луч), но и для двумерных массивов закрученного света, открывая принципиально новые функциональные возможности для всей области сингулярной оптики. Такие технологии важны не только для передачи информации. Они находят применение в “оптических пинцетах” — особых приборах, используемых в современной биологии, медицине и нанотехнологиях, где требуется манипулировать мельчайшими частицами и объектами, в том числе живыми клетками или биомолекулами.
Новые горизонты для фотоники и оптической связи
Проведенное исследование демонстрирует существенные перспективы усовершенствования фотонных технологий. Возможность направленного управления структурой дифракционных картин закрученного света формирует основы для будущих высокоэффективных способов передачи и обработки цифровых данных, защищая их и делая системы более устойчивыми к помехам. Ученые ФИЦ КНЦ СО РАН вместе с коллегами из СФУ уверены, что подходы, разработанные ими, станут фундаментом для новых устройств хранения и сортировки информации, а также внесут вклад в развитие таких междисциплинарных направлений, как квантовая связь, голография и лазерная медицина.
Перспектива развития высокотехнологичных систем
Вклад ученых в изучение закрученного света и возможностей его контроля незаменим для стремительного прогресса оптоэлектроники, биофотоники и нанотехнологий. Новые методы позволяют создавать интеллектуальные системы, распознающие и сортирующие единицы информации по новым, ранее недоступным параметрам. Это ускоряет развитие технологий “умного” хранения, быстрого поиска и передачи данных практически без ошибок. Открытие команды ФИЦ КНЦ СО РАН и Сибирского федерального университета уже сейчас привлекает внимание широкой научной и технологической общественности, определяя облик оптической и информационной инфраструктуры будущего.
Изображение предоставлено группой научных коммуникаций ФИЦ КНЦ СО РАН.
Источник: scientificrussia.ru
