Общее понятие света

Введение

На самом простом уровне можно сказать, что закрученный свет — это световой пучок, который не просто летит вперед, но еще и крутится вокруг направления своего движения (рис.1). Если свободно подвешенное тело будет поглощать такой свет, то оно реально начнет крутиться вокруг оси, совпадающей с направлением луча. Таким образом, этот световой луч передает телу не только энергию и импульс, но и вращательный момент импульса

Если воспринимать слова «пучок закрученного света» слишком буквально, то сразу может возникнуть первое недопонимание. Ведь в любом вращающемся объекте действуют центробежные силы, и если объект от вращения не разваливается, то значит какие-то силы удерживают его части вместе. Но световой пучок состоит из фотонов и нет сил удерживающих эти фотоны рядом друг с другом, не давая им разлетаться. Такая мысленная картинка опирается на ошибочное представление о фотонах как об очень маленьких «комочках света», которые тесно упакованы внутри пучка.

Рисунок 1 – Закрученный свет.

Общее понятие света

Свет — это волна электромагнитного поля. Это поле находится сразу в большом объеме пространства, оно колеблется и, поддерживая себя само, распространяется вперед. Как и у всякой волны, у света есть волновой фронт — так называют воображаемую поверхность в пространстве, в точках которой световое колебание находится в какой-то конкретной фазе (то есть в каком-то конкретном положении после начала колебания). У обычной плоской волны все волновые фронты — плоскости, следующие друг за другом. У сферической волны волновые фронты — концентрические сферы. А у закрученного света волновой фронт геликоидальный (то есть винтовой, спиралеобразный); он словно наматывается винтом на направление распространения волны.

Закрученность света часто иллюстрируют картинкой наподобие (рис. 2, слева). Тут всё верно, но, к сожалению, эта картинка часто сбивает с толку читателей, обладающих некоторыми познаниями в физике или технике. Дело в том, что очень похожие картинки используются для иллюстрации циркулярной поляризации света (рис. 2, внизу). В результате читатель, может не разобраться где закрученный свет, а где циркулярная поляризация света.

Рис. 2. Вверху: три характеристики световой волны в зависимости от наличия и знака ее закрученности — волновой фронт (первая колонка), фаза волны в поперечной плоскости (вторая колонка), интенсивность света в фокусе (третья колонка); Внизу: спиралеобразная картинка, которой обычно иллюстрируют циркулярную поляризацию света;

Поэтому сразу же подчеркнем: несмотря на визуальную схожесть картинок, закрученность и циркулярная поляризация — это два совершенно разных явления, две независимые степени свободы, которые вы можете «внедрить» в свет. Бывает свет с поляризацией, но без закрученности (это как раз обычный случай), бывают волны с закрученностью, но без поляризации (например, не свет, а акустические закрученные волны), бывают волны с тем и с другим, или же без того и без другого.

Разница заключается: картинка с циркулярной поляризацией нарисована для плоской волны. Она показывает ориентацию электрического поля в разных точках вдоль луча. При этом считается, что эта ориентация одна и та же во всей поперечной плоскости. Картинка же с закрученным светом показывает не электрическое поле, а именно волновой фронт. Он не плоский, тут фаза волны меняется не только при движении вдоль луча, но и при смещении в поперечной плоскости (в первом ряду квадратиков на рис. 2 как раз показана цветом фаза в поперечной плоскости). Поскольку поток энергии световой волны обычно направлен перпендикулярно волновому фронту, то получается, что в закрученном свете энергия и импульс волны не просто летят вперед, а как бы крутятся при этом вокруг оси движения — отсюда и момент импульса. А вот вектор электрического поля для закрученного света обычно не рисуют, потому что это дополнительно усложняет картинку, да и набор возможностей тут становится намного богаче, чем для «плоского» света.

Отметим, что в зависимости от того, в какую сторону поворачивается геликоид волнового фронта, закрученность бывает положительной и отрицательной — и в этом тоже есть сходство с поляризацией. Но, в отличие от поляризации, величина закрутки может быть, в принципе, сколь угодно большой; не просто +1 и –1, а +2, –5, +12 и т. д. В этом и заключается еще одна привлекательная черта закрученного света: у закрученности гораздо большая «информационная вместимость», чем у поляризации.

Вспомним теперь, что свет — это поток фотонов. С поляризацией тут всё понятно: известно, что каждый фотон несет какую-то поляризацию. А как обстоят дела с закрученностью? Оказывается, аналогично: каждый фотон в закрученном свете имеет ровно такой же спиральный волновой фронт. К аждый фотон занимает весь световой пучок, по крайней мере в поперечной плоскости, и причем простирается он в стороны достаточно далеко. Так что закрученность — это вовсе не коллективный эффект от большого числа фотонов, это индивидуальная характеристика, переносимая и на отдельные фотоны. Можно уменьшить яркость светового луча до такой степени, чтобы фотоны летели по одиночке, и всё равно закрученность при этом теряться не будет.