Свет — это не только то, что мы видим глазами. Лазерный луч, который мы привыкли представлять в виде яркой точки или прямой линии, на самом деле обладает скрытой, сложной структурой, которую ученые научились использовать для передачи информации. Обычный световой пучок можно «закрутить», придав ему форму спирали или винта. Такая «закрутка» называется орбитальным угловым моментом, и её величина — это своего рода цифровой код, который может нести данные. Однако до недавнего времени управление этим свойством было похоже на игру с одной ручкой настройки.
Группа российских физиков из Крымского федерального университета и Самарского филиала ФИАН совершила прорыв, изучив особые, структурированные пучки Лагерра–Гаусса. В отличие от простых лазерных лучей, эти пучки можно настраивать сразу с помощью двух параметров: один отвечает за силу воздействия (амплитуда), а второй — за фазу, то есть за то, как именно волны складываются друг с другом. Оказалось, что такая двойная настройка открывает окно в удивительный геометрический мир.
Чтобы описать поведение этих сложных лучей, учёные используют математический объект — симплектическую матрицу, которая подобна трёхмерной карте всех свойств пучка. В этой карте из десяти возможных элементов только три являются действительно независимыми и их можно измерить прямо в эксперименте. Остальные же вычисляются через них, что сильно упрощает задачу. Используя эту матрицу, исследователи рассчитали так называемые орбитальные параметры Стокса — три числа, которые полностью описывают состояние луча. Самый удивительный результат заключается в том, что сумма квадратов этих трёх чисел всегда остаётся постоянной, словно радиус невидимой сферы. В физике эту сферу называют орбитальной сферой Пуанкаре, и она служит своеобразным глобусом, на который можно нанести все возможные состояния лазерного пучка.
Когда учёные стали менять фазовый параметр луча, они увидели, как точка на этой сфере выписывает причудливые пространственные траектории. Если у простых пучков траектория была похожа на плоский круг, то здесь возникли сложные петли и лепестки, напоминающие орбиты планет или узоры на цветке. Количество таких лепестков строго определяется свойствами исходного луча и может достигать больших значений. Но самое захватывающее — это возможность управлять формой этих траекторий с помощью второго, амплитудного параметра. Меняя его, можно заставлять лепестки сближаться, расходиться или даже проходить сами через себя в точках самопересечения. Эти точки можно рождать и уничтожать, как если бы вы управляли сложным узором на глобусе, изменяя его конфигурацию.
Эксперименты подтвердили теоретические выкладки: учёные не только вычислили эти траектории, но и измерили их в лаборатории с высокой точностью. Погрешность измерений составила всего несколько процентов. Практическая значимость этого открытия огромна. Сама по себе траектория на сфере — это не просто красивая картинка. Площадь, которую она заметает при изменении параметров, напрямую связана с геометрической фазой Берри — фундаментальным свойством, которое накапливается у луча при его распространении. Это означает, что, управляя формой траектории, мы можем контролировать дополнительную фазу света, что даёт ещё один свободный канал для кодирования информации.
По сути, исследователи нашли способ использовать не один, а сразу несколько «рычагов» управления световым пучком, превратив его в многомерную систему передачи данных. Если раньше мы могли управлять только закруткой луча, то теперь в наших руках оказалась и форма его внутренней структуры, и геометрическая фаза, которую он приобретает. Это открывает дорогу к созданию систем связи нового поколения с огромной пропускной способностью, где информация будет зашифрована не только в интенсивности и цвете света, но и в его сложной, тонкой геометрии, которая плавно меняется в пространстве.
Исследование опубликовано в журнале «Компьютерная оптика»
Изображение на обложке: разработано Magnific
