Оптика винтовых полей или сингулярная оптика

настоящее время в оптике сформировалась новая область, называемая "оптикой винтовых полей" или "сингулярной оптикой". В ее рамках рассматриваются свойства оптических вихрей, а также физический механизм их образования. Вихревая пространственно-временная структура многих физических объектов и процессов отражает глубокие фундаментальные свойства материи. Вихревые, а также близкие к ним по форме винтовые или спиралевидные структурные элементы проявляются как на молекулярном уровне, так и в глобальных процессах, происходящих в атмосфере, океане или космосе. Присущи они и ряду оптических явлений. Фактически, волновые вихри свойственны любым волновым явлениям, как классической, так и квантовой природы.

Оптико-физические процессы, вызывающие появление оптических вихрей, весьма разнообразны. Излучение с вихревой структурой может при определенных условиях формироваться в результате интерференции лазерных пучков с исходно регулярным волновым фронтом, при их прохождении через случайно-неоднородные и нелинейные среды, а также через волоконные многомодовые световоды или специальным образом изготовленные голограммы. Кроме того, возможно возбуждение вихревых полей непосредственно в лазерах.

Сингулярные пучки обладают уникальным свойством захватывать, транспортировать и вращать микрочастицы вещества, размеры которых могут варьироваться от единиц до десятков микрон. Используя данное свойство создаются устройства, называемые оптическими пинцетами.

Оптические вихри представляют собой области кругового (циркулярного) движения потока энергии в электромагнитной волне. Для продольного оптического вихря сочетание кругового и поступательного движения электромагнитной волны приводит к образованию геликоидальной поверхности равной фазы (волновая дислокация волнового фронта). При этом волновой фронт имеет везде гладкую волновую поверхность за исключением оси геликоида. Такая форма волновой поверхности обуславливает при соосной интерференции с плоской волной интерференционные полосы в виде спирали или “вилку ” интерференционных полос для наклонного падения волн, что однозначно определяет наличие оптического вихря. В картине интерференции пучков при наличии винтовой дислокации второго и более высокого порядка наблюдались бы полосы интерференции, расщепленные на четыре и более новых полосы.

Волновой фронт световых пучков, близких по своим свойствам к плоской волне, выглядит как семейство непересекающихся поверхностей. Расстояние между соседними поверхностями равно длине волны. Имеющие место в реальных пучках отклонения волновых фронтов от плоской формы называются оптическими аберрациями. Однако все аберрации, рассматриваемые в классической теории, деформируют волновой фронт без изменения его топологии.

Лазерное излучение характеризуется высокой монохроматичностью и направленностью. Это позволяет для описания его свойств использовать понятие эквифазной поверхности (волнового фронта), во всех точках которой световые колебания имеют одинаковую фазу. Если оптические вихри в лазерном пучке отсутствуют, то ему можно поставить в соответствие систему эквифазных поверхностей, близких по форме к плоскостям (рис. 7.12, а). Расстояние между соседними поверхностями равно длине волны λ.