Schema eines 2D-Airy-Pakets. Bildnachweis: Georgios Siviloglou et al.

Wissenschaftler haben zum ersten Mal eine ungewöhnliche Klasse optischer Wellen mit dem Namen Airy Beams beobachtet. Im Gegensatz zu den meisten Arten von Lichtwellen können Airy-Strahlen der Beugung über große Entfernungen widerstehen und sich während der Ausbreitung frei beschleunigen.

Die Forscher Georgios Siviloglou, John Broky, Aristide Dogariu und Demetrios Christodoulides von der CREOL-Universität von Zentralflorida (UCF) hoffen, dass diese ungewöhnlichen Merkmale die Verwendung von Airy-Strahlen in Anwendungen wie der Partikelmanipulation und in nichtlinearen Medien ermöglichen. Die Studie der Gruppe, die kürzlich in einer Ausgabe der Physical Review Letters veröffentlicht wurde, berichtet über die Beobachtung von Airy-Strahlen in ein- und zweidimensionalen Konfigurationen.

Airy Beams haben ihren Namen von dem „Airy Integral“, das Sir George Biddell Airy in den 1830er Jahren eingeführt hat, um optische Verätzungen wie die in einem Regenbogen auftretenden zu erklären. Airy Beams wurden ursprünglich 1979 von zwei Wissenschaftlern, Michael Berry und Nandor Balazs, im Kontext der Quantenmechanik vorhergesagt. Die Wissenschaftler theoretisierten die Existenz eines freien Teilchens, das durch die Schrödinger-Gleichung beschrieben wird und ein Airy-Wellenpaket aufweisen könnte, das sich bei seiner Ausbreitung nicht ausbreitet - mit anderen Worten, es ist beugungsfrei. Bemerkenswerterweise hat ein Airy-Wellenpaket die ungewöhnliche Fähigkeit, sich auch ohne externen Reiz frei zu beschleunigen.

"Wir sind uns nicht sicher, warum diese absolut faszinierende Vorhersage angesichts des Ruhmes von Michael Berry so lange unbemerkt blieb", sagte Christodoulides gegenüber PhysOrg.com . „Wir glauben, dass dies zum Teil auf die Tatsache zurückzuführen ist, dass es ursprünglich in einer relativ‚ verdeckten 'Zeitschrift veröffentlicht wurde. Das zweite Problem hat mit der experimentellen Umsetzung zu tun. Erst vor kurzem haben wir festgestellt, dass exponentiell abgeschnittene Airy-Strahlen ein Gauß-Leistungsspektrum haben und daher leicht aus Standard-Gauß-Strahlen synthetisiert werden können. “

Die UCF-Forscher stellten fest, dass andere zweidimensionale, beugungsfreie Lichtwellen existieren, beispielsweise der sogenannte Bessel-Strahl, der durch eine konische Überlagerung ebener Wellen erzeugt wird. Aufgrund ihrer Nichtbeugung übertragen Bessel-Strahlen theoretisch eine unendliche Kraft. Ein Mangel an Platz und Leistung führt jedoch dazu, dass die Strahlen während der Ausbreitung abgeschnitten und daher gebeugt werden.

Im Gegensatz zu Besselstrahlen und anderen sich nicht ausbreitenden Wellen entstehen Airy-Strahlen nicht durch konische Überlagerung. Vielmehr erzeugten die Forscher Airy-Strahlen mithilfe eines computergesteuerten räumlichen Lichtmodulators, der die Phase eines Gaußschen Strahls modulierte, der dann auf einer CCD-Kamera abgebildet wurde. Die Wissenschaftler verwendeten verschiedene Phasenmasken, um ein- oder zweidimensionale Airy-Strahlen zu erzeugen.

Die Forscher stellten fest, dass die lokalen Intensitätsmerkmale der Airy-Strahlen dazu neigten, sich frei zu beschleunigen. Dies liegt daran, dass diese Strahlen analog zur Wahrscheinlichkeitswellenfunktion eines quantenmechanischen Teilchens sind, wenn sie in einem frei fallenden Referenzrahmen beobachtet werden. Obwohl der Schwerpunkt des Strahls konstant bleibt, folgt das lokale Intensitätsmerkmal des Strahls einer gebogenen parabolischen Flugbahn über Entfernungen von bis zu 25 bis 30 cm, bevor Beugung auftritt. Im Gegensatz dazu hätte sich ein normaler Gaußscher Strahl gleicher Größe in dieser Entfernung um das 24-fache ausgedehnt.

„Diese Strahlen können während der Ausbreitung frei beschleunigen oder sich selbst biegen, ohne an Form zu verlieren“, erklärte Christodoulides. „Es ist bekannt, dass Licht auf geraden Wegen wandert. Im Gegensatz dazu folgen die Intensitätsmerkmale von Airy-Wellen in unserem Fall parabolischen oder ballistischen Bahnen, ähnlich denen eines Projektils (abgefeuert von einem Kanon), das sich unter der Einwirkung der Schwerkraft bewegt. “

Die Wissenschaftler erklärten, dass aufgrund der Möglichkeit, die x- und y-Parameter von Airy-Strahlen getrennt einzustellen, die Beschleunigung des nichtbeugenden Strahls gesteuert werden kann. Die Forscher schlugen auch vor, dass eine etwas andere Technik zur Erzeugung eindimensionaler Luftwellenpakete zur ersten Beobachtung nicht dispergierender Luftimpulse in optischen Fasern führen könnte. Ferner können nichtbeugende luftige Strahlen auch zur Partikelmanipulation oder in nichtlinearen Medien nützlich sein.

"Diese Strahlen sind stark asymmetrisch in ihrer Intensität", sagte Christodoulides. „Beim Sondieren gibt es mehrere Anwendungen, bei denen dies wünschenswert sein kann. Darüber hinaus kann die Tatsache, dass die Hauptkeule dieser Strahlen (die mehr als 50% der Energie des Strahls transportiert) nicht auf geraden Wegen wandert, genutzt werden, um Partikel durch den Strahlungsdruck seitwärts zu „drücken“. “

Weitere Informationen: Siviloglou, GA, Broky, J., Dogariu, A. und Christodoulides, DN „Beobachtung beschleunigter Luftstrahlen“. Physical Review Letters 99, 213901 (2007).

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