Полный контроль над трехмерной поляризацией света — возможен
|
Свет в фокусе линзы может обладать поляризацией, как угодно ориентированной в трехмерном пространстве. Расчеты американских физиков показали, как достичь произвольно заданной поляризации в простой схеме с обычным лазерным лучом.
Свет для физика — это не столько способ наблюдения за предметом, сколько инструмент, с помощью которого можно воздействовать на исследуемый объект. Это воздействие может быть самым разным: с помощью лазерного луча можно сверлить дырки в бетонных плитах, «захватывать» и манипулировать в пространстве отдельными атомами или бережно «ощупывать» самый хрупкий объект, когда-либо созданный человеком, — атомный бозе-конденсат.
Впрочем, световой луч может воздействовать на предмет не только своей энергией, но и поляризацией: тем конкретным направлением, вдоль которого колеблется электрическое поле в световой волне. С помощью поляризованного света можно изучать, например, ориентацию молекул, абсорбированных на поверхности кристалла. В проводящих микрообъектах правильно подобранная поляризация может возбуждать те или иные переменные токи. Наконец, свет с круговой поляризацией может запросто разворачивать молекулы в пространстве и заставляет крутиться микромоторы.
В любом учебнике физики написано, что плоская электромагнитная волна (в вакууме) поперечна: электрическое поле может колебаться как угодно, но оно всегда остается перпендикулярным направлению движения светового луча. Однако в фокусе линзы, куда сходятся и где интерферируют множество лучей каждый со своей поляризацией, это правило может нарушиться, и весьма существенно. Например, в фокусе сильно выпуклой линзы можно получить даже такое экзотическое состояние, как продольная поляризация света, при которой электрическое поле колеблется вдоль оптической оси (см. иллюстрацию; подробности — в заметке Радиально поляризованный свет: новый инструмент исследований).
Это наводит на мысль, что при подходящей конструкции линзы в ее фокусе можно получить свет с совершенно любой трехмерной поляризацией. В нем электрическое поле будет колебаться в трехмерном пространстве в таком направлении, в каком пожелает экспериментатор. Такое достижение абсолютно полного контроля над поляризацией послужит огромным подспорьем в целом ряде исследований.
Интуитивно кажется, что задача это непростая: нужно вначале получить пучок света с очень специальным распределением поляризации, а потом его правильно сфокусировать. Поэтому поразительным открытием можно назвать недавнюю находку американских физиков, которая позволяет кардинально упростить эту схему.
В их статье A. F. Abouraddy and K. C. Toussaint, Jr., Physical Review Letters, 96, 153901 (20 April 2006) утверждается, что для достижения поставленной цели подойдет и самый обычный лазерный луч с однородной линейной поляризацией. Всё, что требуется,— это правильно приготовить линзу, которая будет его фокусировать. Такая линза должна обладать специальным неравномерным затемнением, изменяющем интенсивность света, а также специальным покрытием, сдвигающим фазу световой волны. Такая линза сама превратит проходящий сквозь нее пучок света в нужный набор лучей с правильной поляризацией, сама сфокусирует их, так что экспериментатору останется лишь поместить исследуемый объект в фокус линзы.
Вычислить, какая именно линза должна быть изготовлена для достижения того или иного вида трехмерной поляризации, не сложно. В статье в качестве примера показано, какими должны быть амплитудная и фазовая корректировка линзы для получения линейной поляризации, наклоненной под углом 45° к оптической оси, или круговой поляризации, вращающейся в плоскости не поперек, а вдоль оси.
Авторы в конце статьи замечают, что если для каких-то приложений потребуется создать определенную поляризацию магнитного, а не электрического поля, или даже какое-то определенное направление потока световой энергии в фокусе линзы (например, не вперед, а вбок), то их метод поможет и в этих случаях. Дело осталось за малым — реализовать эти идеи на практике.
Игорь Иванов
