1. Поляризационная оптика: история и перспективы
Наталия Д. Кундикова
Вузовско-академическая лаборатория нелинейной оптики Института электрофизики УрО РАН и Южно-Уральского государственного университета Челябинск

2. Вузовско-академическая лаборатория нелинейной оптики Института электрофизики УрО РАН и Южно-Уральского государственного университета

3. Южно-Уральский государственного университет Челябинск

4. Спин-орбитальное взаимодействие фотона
Часть 2
Проявление спин-орбитального взаимодействия фотона

5. Спин-орбитальное взаимодействие электрона Спин-орбитальное
Эффект
Зеемана
Спин-орбитальное
взаимодействие
фотона ?

6. Классическая оптика:
Поляризация света
Пространственное распределение
Квантовая оптика:
Спин фотона (спиновый момент)
Орбитальный момент фотона

7. Спин фотона (спиновый момент)
Спин фотона (спиновый момент)

8. Представление поляризованного света
Может быть, убрать все формулы, или частично оставить для линейной, общей
Эллиптичность и угол эллиптичности
Сфера Пуанкаре

9. Представление поляризованного света
Доля фотонов со спином
Доля фотонов со спином
Эллиптичность и угол эллиптичности
Может быть, убрать все формулы, или частично оставить для линейной, общей
Линейная поляризация
Циркулярная поляризация

10. Передача спинового момента среде
Richard A. Beth, Phys. Rev., 1936

11. Передача спинового момента среде
Richard A. Beth, Phys. Rev., 1936

12. Орбитальный момент фотона

13. Траектория луча
Оптически
неоднородная
среда
Момент импульса?

14. Траектория луча Оптически неоднородная среда Импульс фотона
Момент импульса?
- Момент импульс фотона

15. Момент импульса фотона
L.Allen, M.W.Beijersbergen,
R.J.C.Spreeuw, J.P.Woerdman, Phys.Rev.A, 1992

16. Момент импульса фотона
Пучок Лагерра-Гаусса в свободном пространстве
L.Allen, M.W.Beijersbergen, R.J.C.Spreeuw, J.P.Woerdman, Phys.Rev.A, 1992

17. Момент импульса фотона
L.Allen, M.W.Beijersbergen, R.J.C.Spreeuw, J.P.Woerdman, Phys.Rev.A, 1992

18. Момент импульса фотона
Спиральный
волновой фронт
Плоский
волновой фронт

19. Интерференционная картина сферической волны и Бесселева пучка с разным знаком спиральности
Даршт М.Я., Зельдович Б.Я., Катаевская И.В., Кундикова Н.Д., Ж Э Т Ф, 1995 г
Проверить знак, поле пучка

20. Передача орбитального момента среде
Передача орбитального момента среде

21. Передача спинового момента среде
Richard A. Beth, Phys. Rev., 1936

22. Передача орбитального момента среде
Передача орбитального момента среде
L.Allen, M.W.Beijersbergen, R.J.C.Spreeuw, J.P.Woerdman, Phys.Rev.A, 1992

23. Манипуляция микрообъетами
A.Ashkin, J.M.Dziedzic,
J.E.Bjorkholm, Steven Chu,
Optics Letters, 1986

24. Манипуляция микрообъетами
Пучок Лагерра-Гаусса
S. M. Barnett and L. Allen, Opt. Commun., 1994
N. B. Simpson, K. Dholakia, L. Allen, M. J. Padgett,
Opt.Lett, 1997

25. Манипуляция микрообъетами
Phys. Rev. Lett. 88, (2002)
T. O'Neil, I. MacVicar, L. Allen, and M. J. Padgett,
Phys. Rev. Lett. 2002

26. Манипуляция микрообъетами

27. Орбитальный момент могут иметь не только спиральные пучки!
Berry, M V, 1998 ‘Paraxial beams of spinning light', In Singular optics, 487(Ed, Soskin, M S) Frunzenskoe, Crimea, SPIE, 3487, pp 6-11

28. Момент импульса фотона
Berry, M V, 1998 ‘Paraxial beams of spinning light', In Singular optics, 487(Ed, Soskin, M S) Frunzenskoe,
Crimea, SPIE, 3487, pp 6-11.

29. Проявление спин-орбитального взаимодействия фотона в оптически неоднородной среде

30. Классическая оптика:
Взаимовлияние поляризации света и процесса его распространения
Квантовая оптика:
Спин-орбитальное взаимодействие фотона

31. Распространение света
Однородная среда (свободное пространство)
Оптически неоднородная среда с локально изотропной диэлектрической проницаемостью

32. Непланарные лучи: поворот плоскости поляризации
Рытов , Владимирский
если начальное и конечное направление распространения луча совпадают, то угол поворота равен численно телесному углу W, вырезаемому касательной к траектории в пространстве касательных

33. Непланарные лучи: поворот плоскости поляризации
Чао и Ву
тот же результат, но на основе квантовомеханической адиабатической теоремы Берри: (фазы Берри) Берри

34. Непланарные лучи: поворот плоскости поляризации
Томита и Чао -1986
первое экспериментальное наблюдение Рытовского поворота в одномодовом волокне, скрученном в спираль

35. Продольный и поперечный сдвиги светового луча при полном внутреннем отражении
Гус и Ханхен
Величина сдвига различна для s - и p - поляризации
Федоров, Кристоффель , Имбер -1978
Сдвиг имеет разные направления для лево и право циркулярной поляризации света
Переделать рисунки

36. Имбер - 1978 Сдвиг имеет разные направления для лево и право циркулярной поляризации света

37. Поперечный сдвиг циркулярно поляризованного луча при отражении и преломлении
Оптический эффект Холла
Свет падает из менее плотной оптической среды – поперечные сдвиги отраженного и преломленного луча имеют разные знаки
Был ли эксперимент?
Сохранение полного момента импульса фотона
Masaru Onoda, Shuichi Murakami, Naoto Nagaosa, Phys. Rev. Lett, 2004

38. Упомянутые оптические эффекты
рассматривались
независимо
Б.Я.Зельдович, В.С.Либерман -1990
Поворот плоскости меридионального луча в градиентном световоде за счет циркулярности поляризации
следствие взаимовлияния поляризации света и его траектории

39. Оптический эффект Магнуса
А.В.Дугин, Б.Я.Зельдович, Н.Д.Кундикова, В.С.Либерман 1991
влияние циркулярности поляризации на распространения света в оптическом волокне со ступенчатым профилем показателя преломления
экспериментальное обнаружение оптического эффекта Магнуса
интерпретация эффекта как результат спин-орбитального взаимодействия фотона

40. Оптический эффект Магнуса
Лазер
Поляризационная
система
Волокно
Фрагмент спекл картины, наблюдаемой на экране, для лево и право циркулярной поляризации света

41. Оптический эффект Магнуса
s = -1
s = +1

42. Б.Я.Зельдович, В.С.Либерман - 1992
Б.Я.Зельдович, В.С.Либерман
Эффекты, связанные с влиянием траектории лучей на их поляризацию, и эффекты, связанные с влиянием поляризации лучей на их траекторию, могут быть описаны в рамках одного Гамильтониана H
Рытовский поворот
Оптический эффект Магнуса

43. Уравнения траектории луча и поляризации
Уравнения траектории луча и поляризации
Уравнение Рытова

44. Пространственное разделение линейно поляризованного света на циркулярно-поляризованные составляющие
Лазер
Поляризационная
система
Волокно ?

45. Обращение волнового фронта
Распространение света через оптическое волокно
Обращение волнового фронта – обратить распространение света через оптическое волокно

46. Обращение волнового фронта
Обращающее зеркало ?

47. Пространственное разделение эллиптически поляризованного света на две волны с ортогональными циркулярными поляризациями

48. Схема экспериментальной установки

49. Пространственное разделение эллиптически поляризованного света на две волны с ортогональными циркулярными поляризациями A B IR IL
Пикселы
интенсивность
Результаты эксперимента
Корреляция между измеренной эллиптичностью и ее заданной величиной

50. Можно ли наблюдать в одинаковых экспериментальных условиях влияние траектории на поляризацию и поляризации на траекторию?
Сагиттальные (косые) лучи в оптическом прямолинейном волокне

51. Влияние траектории на поляризацию и поляризации на траекторию
Лазер
Поляризационная
система
Волокно
Поляризатор
Линейная поляризация
Неоднородность оптического эффекта Магнуса, Б.Я. Зельдович, И.В. Катаевская, Н.Д. Кундикова, Квантовая Электроника, 23, 89 (1996). Внутриволоконный поворот плоскости поляризации, Б.Я. Зельдович, Н.Д. Кундикова, Квантовая Электроника, 22, 184 (1995)
Циркулярная
поляризация

52. Распространение света в многомодовом волокне, скрученном в спираль
Влияние спиральной формы волоконного световода на распространение света, И.В. Катаевская, Н.Д. Кундикова, Квантовая Электроника, 22, 959 (1995). см

53. «Магнитный поворот»
1994 – Предсказан (Б.Я. Зельдович, Н.Б. Баранова) и экспериментально обнаружен (М.Я. Даршт, И.В. Жиргалова, Б.Я. Зельдович, Н.Д. Кундикова) эффект поворота спекл картины света при прохождении через оптическое волокно, помещенное в магнитное поле.

54. Влияние магнитного поля на вид спекл-картины
Эксперимент
+ H
- H
Параметры волокна:
nсо = 1,470, псl = 1,466, l = 0,63 мкм,
r  = 4,5 мкм, V = 0,014 мин/(Гс·см)
Lmf = 93 см, L = 100 см, H = 1000 Гс

55. Влияние магнитного поля на вид спекл-картины
Эксперимент
Параметры волокна из стекла МОС-101 (сердцевина) и специального магнитооптического стекла (оболочка):
= 0,63 мкм,
V = 0,14 мин/(Гс·см)
Lmf = 21,5 см, L = 80 см, H = 900 Гс

56. Преобразование спинового момента в орбитальный

57. Преобразование спинового момента в орбитальный

58. Преобразование спинового момента в орбитальный

59. Преобразование спинового момента в орбитальный

60. Преобразование спинового момента в орбитальный
Преобразование спинового момента в орбитальный
Распространение света в оптическом волокне со ступенчатым профилем показателя преломления

61. Преобразование спинового момента в орбитальный
Распространение света в оптическом волокне со
ступенчатым профилем показателя преломления

62. Преобразование спинового углового момента в орбитальный

63. Проявление спин-орбитального взаимодействия фотона в оптически однородной среде

64. Оптически однородная среда Распространение света через половину линзы
Н.Б.Баранова, A.Ю.Савченко, Б.Я.Зельдович
Поперечный сдвиг фокальной перетяжки асимметричного сходящегося светового пучка при смене знака циркулярной поляризации

65. Экспериментальное обнаружение поперечного сдвига перетяжки луча
Рассеивающая среда для визуализации луча
Изображения перетяжки в рассеянном свете
1,5 мкм

66. Обратный эффект: Влияние траектории света на его поляризацию
Обратный эффект: Влияние траектории света на его поляризацию

67. Эллиптичность пучка при разных условиях экранирования
перетяжка
линза
< + —
<
>
> + —

68. Эллиптичность пучка при разных условиях экранирования
перетяжка
линза
<
1,5·10-6
6,5·10-6
<
>
>
4,5·10-6
1,5·10-6
Погрешность измерения эллиптичности 0,5·10-6

69. Эффект геометрического двулучепреломления
Влияние траектории света на его поляризацию при распространении через половину линзы . .
e =

70. Некоторые задачи
Теоретическое описание взаимовлияния траектории и поляризации света (спин-орбитального взаимодействия фотона в оптически однородной среде
Оптический эффект Магнуса в фотонных кристаллах - эксперимент
Оптический эффект Магнуса в метаматериалах

71. Поперечный сдвиг циркулярно поляризованного луча при отражении и преломлении
Оптический эффект Холла
В фотонных кристаллах сдвиг может быть макроскопическим
Был ли эксперимент?
Masaru Onoda, Shuichi Murakami, Naoto Nagaosa, Phys. Rev. Lett, 2004

72. Фотонные кристаллы
многослойная среда

73. Фотонные кристаллы ?
Трехмерно-периодическая среда

74. Осаждение субмикронных частиц
Изготовление фотонных кристаллов
Осаждение субмикронных частиц

75. Фотонные кристаллы
Использование интерференции для изготовления фотонных кристаллов

76. Крылья бабочек –фотонные кристаллы
Heliconius cydno
Heliconius melpomene
malleti

77. Оптический эффект Магнуса в метаматериалах
А.В.Иванов, А.Н.Шалыгин, А.В.Ведяев, В.А.Иванов,
Письма в ЖЭТФ, 2007

78. Konstantin Y. Bliokh, Avi Niv, Vladimir Kleiner, Erez Hasman
Geometrodynamics of spinning light Nature Photonics, 2008
Franco Nori
Geometrical optics: The dynamics of spinning light
Nature Photonics, 2008
«Topological transport phenomena on the wavelength scale offer a new field for future experiments. In this way, modern nano-optics and photonics, operating with light at subwavelength scales, provide a promising new avenue for exploring these fundamental effects».

79. Оптический эффект Магнуса для поляризационной оптики

80. Пространственное разделение эллиптически поляризованного света на два циркулярно поляризованных пучка
Лазер
Поляризационная
система
Оптическое волокно ?

81. Пространственное разделение эллиптически поляризованного света на два пучка с ортогональными циркулярными поляризациями
e= = a b

82. Экспериментальные результаты
Корреляция между измеренной эллиптичностью и ее заданной величиной A B IR IL
Обычный метод
Наш метод
intensity
pixels

83. Глаукома нарушение всех зрительных функций /потеря зрения
поражение нервных волокон сетчатки
сканирующая
лазерная поляриметрия
нарушение всех зрительных функций /потеря зрения

84. Зачем нужно? Морфофункциональное исследование биологических тканей
Локализация военных обьектов
Исследование свойств
кристаллов
Поляризационный снимок
рубца пищевода (R. V. Kuranov, et al.
Opt. Express 10, 707 (2002)
Самолет-невидимка B-2 Spirit
Исследование
свойств жидкостей
кристалл исландского шпата
Исследование качества поверхности
Поверхность коренного зуба
Поверхность воды

85. Поляризационные приборы
Зачем нужно?
Поляризационные приборы
Просветляющие
покрытия
Поляризационные очки
Дисплейные технологии
Оптические фильтры 85

86. Благодарю за внимание!