Ученые физического факультета Института естественных и точных наук ЮУрГУ предсказывают новые оптические эффекты в световых пучках, которые в будущем помогут создать технику будущего, и даже предсказать рак на ранних стадиях.

Кундикова Н.Д.

Кундикова Н.Д.

Спин-орбитальное взаимодействие света

Крупный проект «Спин-орбитальное взаимодействие света для фотоники будущего» ученых ИЕТН связан с поиском и исследованием эффектов проявления спин-орбитального взаимодействия света, то есть взаимовлиянием траектории распространения света и таким свойством света, как поляризация. Руководит исследованием Наталия Кундикова, доктор физико-математических наук, профессор, декан физического факультета Института естественных и точных наук ЮУрГУ, главный научный сотрудник лаборатории нелинейной оптики Института электрофизики УрО РАН. Наталия Дмитриевна — лауреат премии Галилео Галилея за исследования в области физической оптики.

«Согласно 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 году в нашем университете группой ученых под руководством члена-корреспондента РАН Бориса Зельдовича. Этот эффект был обнаружен экспериментально как поворот спекл-картины циркулярно-поляризованного света, распространяющегося в оптическом волокне, при смене знака циркулярной поляризации», — поясняет Наталия Дмитриевна.

Спекл картина

Спекл картина

Спекл-картина света на выходе из волокна является распределением интенсивности света, которое представляет собой интерференцию нескольких мод, каждая из которых распространяется со своей фазовой скоростью в оптическом волноводе.

Предсказаны новые оптические эффекты

Световой пучок обладает спиновым угловым моментом (поляризация) и внешним орбитальным угловым моментом (траектория). Все ранее исследуемые эффекты проявления спин-орбитального взаимодействия связаны с влиянием одного из угловых моментов на другой. Утверждение ученых Южно-Уральского государственного университета заключается в том, два угловых момента могут одновременно влиять на третий угловой момент.

«Мы смогли показать экспериментально, что поляризация и траектория света могут влиять на структуру пучка. Что касается остальных двух эффектов, — пока это только предсказание. Необходимо понять в каких условиях эти эффекты могут наблюдаться и попробовать исследовать их экспериментально. Но это очень сложная задача», –рассказывает Наталия Кундикова.

Особенностью оптических экспериментов является то, что установки для экспериментов ученым приходится делать самим. Для этого используются оптические конструкторы, которые позволяют получить пучки, имеющие кольцевую структуру. Ученые Южно-Уральского государственного университета планируют провести исследование так называемых пучков «баранок» с особым волновым фронтом совместно с коллегами из Франции. Использование таких пучков планируется для ранней диагностики рака.

Фотоника для создания техники будущего

Изначально фотоника занималась изучением базовых принципов работы оптических сигналов и полей, а также их применением для создания устройств. Но сегодня она включает такие направления, как лазерная техника, оптические вычисления, медицинская диагностика и терапия. Поэтому проект ученых ЮУрГУ«Спин-орбитальное взаимодействие света для фотоники будущего» имеет огромное значение для развития и применения оптики в различных областях. Например, одно из исследований кафедры направлено на усовершенствование волоконно-оптических датчиков для измерения различных физических величин.

По результатам исследований было представлено 2 доклада на 24-м Конгрессе Международной комиссии по оптике (Токио, Япония) и доклад на 4-й Международной конференции по оптическому угловому моменту (Анакапри, Италия). В октябре 2018 года планируются доклады на международных конференциях в Нидерландах и Франции. В 2017 году Наталия Кундикова была избрана на трехгодичный срок вице-президентом Международной комиссии по оптике (ICO), а также стала почетным членом Американского оптического общества (OSA).

Ссылки на конференции:

24 Конгресс Международной комиссии по оптике

4-й Международной конференции по оптическому угловому моменту (Анакапри, Италия)