La mayoría de los libros de texto de física básica describen la luz láser en términos bastante simples: un rayo viaja directamente de un punto a otro y, a menos que golpee un espejo u otra superficie reflectante, continuará viajando a lo largo de un camino recto de flecha, expandiéndose gradualmente en tamaño debidoa la naturaleza ondulatoria de la luz. Pero estas reglas básicas salen por la ventana con luz láser de alta intensidad.
Los potentes rayos láser, dadas las condiciones adecuadas, actuarán como sus propios lentes y "autoenfoque" en un haz más intenso y apretado. Los físicos de la Universidad de Maryland han descubierto que estos pulsos láser autoenfocados también generan remolinos violentos deenergía óptica que se parece mucho a los anillos de humo. En estas estructuras de luz en forma de rosquilla, conocidas como "vórtices ópticos espaciotemporales", la energía de la luz fluye a través del interior del anillo y luego vuelve alrededor del exterior.
Los vórtices viajan junto con el pulso láser a la velocidad de la luz y controlan el flujo de energía a su alrededor. Las estructuras ópticas recién descubiertas se describen en la edición del 9 de septiembre de 2016 de la revista Revisión física X .
Los investigadores llamaron a los anillos de humo láser "vórtices ópticos espaciotemporales" o STOV. Las estructuras de luz son ubicuas y se crean fácilmente con cualquier láser potente, dadas las condiciones adecuadas. El equipo sospecha firmemente que las STOV podrían explicar décadas de resultados anómalos.y efectos inexplicables en el campo de la investigación con láser de alta intensidad.
"Los láseres han sido investigados durante décadas, pero resulta que los STOV estuvieron bajo nuestras narices todo el tiempo", dijo Howard Milchberg, profesor de física e ingeniería eléctrica y de computadoras en la UMD y autor principal del trabajo de investigación, que también tieneuna cita en el Instituto de Investigación en Electrónica y Física Aplicada IREAP de la UMD: "Esta es una característica robusta y espontánea que siempre está presente. Este fenómeno subyace tanto en lo que se ha hecho en nuestro campo durante los últimos 30 años".
Los vórtices ópticos espaciales más convencionales son bien conocidos de investigaciones previas: el principal de ellos es el vórtice de "momento angular orbital" OAM, donde la energía de la luz circula alrededor de la dirección de propagación del haz de manera similar al agua que gira alrededor de un desagüe cuando se vacía de unlavabo. Debido a que estos vórtices pueden influir en la forma del haz central, han demostrado ser útiles para aplicaciones avanzadas como la microscopía de alta resolución.
"Los vórtices ópticos convencionales se han estudiado desde fines de la década de 1990 como una forma de mejorar las telecomunicaciones, la microscopía y otras aplicaciones. Estos vórtices le permiten controlar lo que se ilumina y lo que no, creando pequeñas estructuras en la luz misma".dijo el autor principal del artículo, Nihal Jhajj, un estudiante graduado de física que realizó la investigación en IREAP.
"Los vórtices de anillo de humo que descubrimos pueden tener aplicaciones aún más amplias que los vórtices ópticos conocidos anteriormente, porque son dinámicos en el tiempo, lo que significa que se mueven junto con el haz en lugar de permanecer estacionarios", agregó Jhajj. "Esto significa que los anillos puedensea útil para manipular partículas que se mueven cerca de la velocidad de la luz "
Jhajj y Milchberg reconocen que se necesita mucho más trabajo para comprender los STOV, incluidas sus implicaciones físicas y teóricas. Pero están particularmente entusiasmados con las nuevas oportunidades que surgirán en la investigación básica con láser después de su descubrimiento de los STOV.
"Toda la evidencia que hemos visto sugiere que los STOV son universales", dijo Jhajj. "Ahora que sabemos qué buscar, creemos que mirar un pulso láser de alta intensidad que se propaga a través de un medio y no ver los STOV podríaser como mirar un río y no ver remolinos y corrientes "
Eventualmente, los STOV pueden tener aplicaciones útiles en el mundo real, como sus contrapartes más convencionales. Por ejemplo, los vórtices OAM se han utilizado en el diseño de microscopios de reducción de emisión estimulada STED más potentes. Los microscopios STED son capaces de una resolución mucho más alta quemicroscopios confocales tradicionales, en parte debido a la iluminación precisa que ofrecen los vórtices ópticos.
Con el potencial de viajar con el haz central a la velocidad de la luz, los STOV podrían tener ventajas aún imprevistas en aplicaciones tecnológicas, incluido el potencial de ampliar el ancho de banda efectivo de las líneas de comunicación de fibra óptica.
"Un STOV no es solo un espectador del rayo láser, como el halo de un ángel", explicó Milchberg, señalando la capacidad de los STOV para controlar la forma y el flujo de energía del rayo central. "Es más como el halo de un ángel electrificado, conenergía yendo y viniendo entre el halo y la cabeza del ángel. Todos estamos muy emocionados de ver a dónde nos llevará este descubrimiento en el futuro ".
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Materiales proporcionado por Universidad de Maryland . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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