Введение к работе
Актуальность работы. Согаасно представлениям классической физики световой пучок характеризуется поляризацией и направлением распространения В квантовой физике этим характеристикам соответствуют спиновый и орбитальный моменты фотона. Существование спин-орбитального взаимодействия фотона в оптически неоднородной среде было впервые экспериментально доказано в 1991 году1, и в настоящее время активно ведется работа по созданию теории, описывающей спин-орбитальное взаимодействие частиц как с нулевой, так и ненулевой массой. Вопросу же возможности существования спин-орбитального взаимодействия частиц в оптически однородной среде внимания практически не уделяется, и полагается, что в однородной изотропной среде, например в вакууме, поляризация и процесс распространения света взаимно независимы Тем не менее в 1994 году был теоретически предсказан2, а вскоре и экспериментально обнаружен3,4 следующий эффект. Половина линзы освещалась плоской волной с циркулярной поляризацией. При смене знака циркулярной поляризации "центры тяжести" интенсивности z-компоненты вектора поляризации светового пучка в перетяжке смещались в поперечном направлении. Данные исследования показали, что поляризация света может оказывать влияние на его распространение в однородной изотропной среде, а само существование эффекта объяснялось спин-орбитальным взаимодействием фотона.
Если этот эффект действительно является результатом спин-орбитального взаимодействия фотона в вакууме, то должен наблюдаться и обратный эффект В свя-зис этим возникла необходимость поиска экспериментальных условий, в которых может проявляться влияние процесса распространения света на его состояние поляризации в оптически однородной среде — вакууме.
В работе5 показано, что наблюдение обратного эффекта возможно в следующей экспериментальной схеме Пусть плоская линейно поляризованная волна распространяется в направлении Oz и падает наполовину линзы (y>Q) (рис. 1 а). Линейно
'А.В Дугин,БЯ Зелышвич,НЛКуняикова, В.СЛибермая Пітьма в ЩЗПСФ, 53,186 (1991). 2N В. Baranova, A-Yu. Savchenko, В Ya. Zel'dovich Письма в ЖШ>, 59,216 {1994) 3БЯ Зельдович, НД Кундашэва^ЛФ Рогачева Письма вЖЭТФ, 59,737 (1994) *N D Kundikova, F V Podgomov, LF Rogacheva, В Ya. Zel'dovich Pure Appl Opt, 4,179 (4995) 5VV Chirkov, С В. Khabnov, N D Kundikova,L.F Rogacheva XVIInternationalConference on Coherent ana Nonlinear Optics Moscow, Russia, June 29 -July 3,1998. Technical Digest, p 172
5)
t=o+o
6)
f = 0+0
в)
Рис l Принципиальная схема наблюдения обратного эффекта
поляризованное излучение может быть представлено в виде суперпозиции лево-циркулярно и правоциркулярно поляризованного излучения. Сходящийся пучок света, формируемый с помощью линзы, содержит "запрещенную'' z-компоненту, электрический вектор которой направлен вдоль оси Qz. "Центры тяжести" интенсивности z-компоненты в перетяжке светового пучка для левоциркулярного и правоциркулярного излучения будут смещены относительно оси системы в противоположных направлениях Если перекрыть одну половину перетяжки (х>0), то прошедшее излучение окажется слабо эллиптически поляризованным с направлением вращения влево (рис. 1 б) При экранировании второй половины перетяжки (х<Щ эллиптичность должна сменить знак (рис. 1 в).
Расщепление светового пучка на две компоненты с различными состояниями поляризации происходит в условиях, когда пучок асимметричен. Другими словами, двулучепреломление пучка определяется геометрическим фактором В связи с этим данный эффект бьш назван эффектом геометрического двулучепреломпения света. Актуальной представляется задача экспериментального обнаружения этого эффекта В результате будет подтверждено существование спин-орбигального взаимодействия фотона в оптически однородной среде.
Целью работы явилось экспериментальное доказательство существования спин-орбитального взаимодействия фотона в оптически однородной среде
В соответствии с поставленной целью определены основные задачи диссертации:
определение условий наблюдения эффекта влияния траектории светового пучка на состояние его поляризации (эффекта геометрического двулучепрелом-ления);
разработка необходимых для проведения основного эксперимента методов контроля л управления поляризационным состоянием света:
нещучение светового пучка с линейной поляризацией высокого качества,
тестирование метода измерения слабых эллиптичностей света, основанного на использовании компенсатора с малым фазовым сдвигом,
разработка метода определения поляризационных параметров двулучепре-яомяяющих пластинок — фазового сдвига и относительного амплитудного коэффициента пропускания,
— исследование двухкомпонентной фазосдвигающей системы для преобразования когерентного линейно поляризованного излучения в циркулярно поляризованное,
создание экспериментальной установки для исследования эффекта геометрического двулучепреломления;
экспериментальное обнаружение этого эффекта.
Научная новизна. Впервые эксперименаально доказано существование спин-орбитального взаимодействия фотона в оптически однородной среде Экспериментально обнаружено влияние траектории светового пучка на его поляризационное состояние в оптически однородной изотропной среде.
Предложен новый метод получения света с линейной поляризацией высокого качества (эллиптичность по интенсивности е1, определяемая как отношение интенсивностей светового поля по двум осям эллипса поляризации, составляет ~ 10~8)
Впервые экспериментально показана работоспособность метода измерения малых эллиптичностей света.
Впервые предложен специальный нуль-эллипсометрический метод определения поляризационных параметров фазовой пластинки, который позволяет с высокой точностью одновременно измерить как искомые параметры исследуемой пластинки, так и фазовый сдвиг пластинки-компенсатора^
Впервые исследована двухкомпонентная фазосдвигаквпая система для преобразования линейно поляризованного света в циркулярно поляризованное в условиях влияния интерференции многократных переотражений в каждой отдельной пластинке
Практическая ценность работы Проведенные исследования носят фундаментальный характер обнаружение обратного эффекта является доказательством существования спин-орбитального взаимодействия фотона в оптически однородной среде Вместе с тем разработанные для выполнения основного эксперимента методики могут быть использованы при проведении многих других исследований в области экспериментальной оптики и оптического приборостроения.
Например, метод получения световых пучков с линейной поляризацией высокого качества, а также метод определения состояния поляризации слабо эллиптически поляризованного света; можно использовать для исследования природного
и магнитного циркулярного дихроизма1,2, для определения двулучепреломления и оптической активности кристаллов3'4, для оценки малых механических напряжений в кристаллах5; для изучения качества оптических световодов, сохраняющих линейную поляризацию проходящего излучения6; для контроля остаточного двулучепреломления в оптических компонентах поляриметра7
Предложенная в диссертационной работе двухкомпонентная фазосдвигающая система позволяет получать свет с циркулярной поляризацией высокого качества с циркуляцией обоих знаков. Для этой цели она может использоваться в разнообразных экспериментальных оптических установках, например для исследования эффектов, связанных с проявлением спин-орбитального взаимодействия фотона8; для изучения качества оптических световодов, сохраняющих циркулярную поляризацию проходящего излучения9; для вращения частиц, захваченных лазерным пинцетом10; для осуществления прецизионных измерений методами мюлле-ровской эляинсометрии11.
Для того чтобы в экспериментальной практике контролировать и задавать состояние поляризации когерентного света с помощью фазовых пластинок, необходимо знать точные значения их поляризационных параметров Разработанный метод позволяет с высокой точностью измерять поляризационные параметры фазовых пластинок — фазовый сдвиг и относительный амплитудный коэффициент пропускания, благодаря чему повышается эффективность управления поляризационным состоянием света.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Спин-орбитальное взаимодействие фотона существует не только в оптически неоднородной, но и в оптически однородной среде Эллиптичность прошедшего через оптическую схему асимметричного светового пучка зависит от того,
'R.M Esquerra, J W Lewis, D S Khger Rev Sci Instrum , 68,1372 (1997) ^RXBrecha, LJU Pedrottt. Optics express, 5,101 (1999) 3JE Hayden,SD Jacobs Appl Opt,31, 6256(1993) "P Oomez, С Hernandez. J Opt Soc Amer B, 15,1147 (1998)
*АЛ Александров, M.X. Ахмеїзянов Поляризационно-оптические методы механики деформируемого тела -М Наука, 1973
6G D VanWiggeren, R. Roy Appl Opt, 18,3888 (1999)
7RJ King. J sci instrum , 43,924 (1966)
8A.V Doogm, N D Kundikova, VS Llberman, В Ya Zel'dovich Phys Rev A, 45, 8204 (] 992)
*Hung-chia Huang. Appl Opt, 27,36,6968 (1997)
10A. Ambrosio, В Piccmllo, A. Sasso, E. Santamato Opt Comm, 230,337 (2004)
"А Джеррард, Дж,М Берч Введение в метричную оптику. -М -Мир, 1978
какая половина перетяжки пучка перекрыта экраном. Величина скачка эллиптичности составляет Де7 « 4 10_6
Компенсатор с малым фазовым сдвигом позволяет улучшить качество линейной поляризации света, прошедшего через поляризатор, на два-три порядка
Метод определения поляризационного состояние слабо эллиптически поляризованного света позволяет измерить эллиптичность пучка в диапазоне от 10_6 до Ю-4 с погрешностью Де^/е^ < 5%
Предложенный метод измерения поляризационных параметров фазовой пластинки позволяет с высокой точностью одновременно измерить как искомые параметры пластинки, так и фазовый сдвиг пластинки-компенсатора Для слюдяных пластинок погрешность измерения фазового сдвига составяет ДГ ~ 0,05, а относительного амплитудного коэффициента пропускания Д-F ~ 0,001.
Предложенная двухкомпонентная фазосдвигающая система в условиях влияния многолучевой интерференции света позволяет получать свет с циркулярной поляризацией высокого качества (е1 > 0,997). Дня получения круговой поляризации с определенным направлением вращения требуется специальная настройка системы.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, содержащего J 03 наименования цитируемой литературы. Полный объем диссертации — 136 страниц,'включая 29 рисунков и 2 таблицы.
