Выпуски

 / 

2018

 / 

Май

  

К 60-летию Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН. К 100-летию со дня рождения Г.И. Будкера


Пучки фотонов с ненулевой проекцией орбитального момента импульса: новые результаты

,
Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, просп. акад. Лаврентьева 11, Новосибирск, 630090, Российская Федерация

Решение уравнений Максвелла в цилиндрических координатах приводит в квантовой теории к состояниям с определённой энергией ħr ω , продольным импульсом ħ kz и определённым значением проекции полного момента импульса ħ m на ось z (ħ — постоянная Планка). Экспериментально получены значения этой проекции вплоть до ħ m ~ 104ħ. Волновой фронт таких состояний напоминает винт мясорубки, а силовые линии вектора Пойнтинга представляют собой винтовую линию. От плоских волн такие состояния отличаются наличием ненулевой проекции орбитального момента импульса на направление движения, а от сферических — наличием определённого направления движения. Для краткого обозначения этих состояний используют термин "закрученные фотоны". Приведены результаты недавних экспериментальных и теоретических работ по закрученным фотонам, в которых авторы настоящего обзора принимали активное участие. Подробно обсуждаются недавние опыты по генерации мощных пучков терагерцовых закрученных фотонов (длина волны 140 мкм), выполненные на Новосибирском лазере на свободных электронах в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН. Рассмотрены недавние теоретические работы, посвящённые взаимодействию закрученных фотонов с атомами. Закрученные фотоны, обладающие дополнительной степенью свободы — проекцией полного момента импульса на направление движения, представляют собой новые инструменты исследований, которые могут найти широкое применение в самых разных разделах физики.

Текст: pdf
Войдите или зарегистрируйтесь чтобы получить доступ к полным текстам статей.
English fulltext is available at IOP
Ключевые слова: спиновый угловой момент, орбитальный угловой момент, закрученные пучки фотонов, взаимодействие закрученных фотонов с атомами, терагерцовое излучение
PACS: 32.80.−t, 41.60.Cr, 42.79.−e (все)
DOI: 10.3367/UFNr.2018.02.038306
URL: https://ufn.ru/ru/articles/2018/5/e/
Цитата: Князев Б А, Сербо В Г "Пучки фотонов с ненулевой проекцией орбитального момента импульса: новые результаты" УФН 188 508–539 (2018)
BibTexBibNote ® (generic)BibNote ® (RIS)MedlineRefWorks

Поступила: 15 января 2018, доработана: 13 февраля 2018, 13 февраля 2018

English citation: Knyazev B A, Serbo V G “Beams of photons with nonzero orbital angular momentum projection: new resultsPhys. Usp. 61 449–479 (2018); DOI: 10.3367/UFNe.2018.02.038306

Список литературы (163) ↓ Статьи, ссылающиеся на эту (39) Похожие статьи (2)

  1. Poynting J H Proc. R. Soc. Lond. A 82 560 (1909)
  2. Beth R A Phys. Rev. 50 115 (1936)
  3. Allen L et al. Phys. Rev. A 45 8185 (1992)
  4. Баранова Н Б, Зельдович Б Я ЖЭТФ 80 1789 (1981); Baranova N B, Zel'dovich B Ya Sov. Phys. JETP 53 925 (1981)
  5. Vasara A, Turunen J, Friberg A T J. Opt. Soc. Am. A 6 1748 (1989)
  6. Баженов В Ю, Васнецов М В, Соскин М С Письма в ЖЭТФ 52 1037 (1990); Bazhenov V Yu, Vasnetsov M V, Soskin M S JETP Lett. 52 429 (1990)
  7. Bazhenov V Yu et al. J. Mod. Opt. 39 999 (1992)
  8. He H et al. Phys. Rev. Lett. 75 826 (1995)
  9. Fickler R et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 113 13642 (2016)
  10. Bliokh K Y et al. Phys. Rep. 690 1 (2017); Bliokh K Y et al. arXiv:1703.06879
  11. Clark C W et al. Nature 525 504 (2015)
  12. Afanasev A, Serbo V G, Solyanik M arXiv:1709.05625
  13. Абрамочкин Е Г, Волостников В Г УФН 174 1273 (2004); Abramochkin E G, Volostnikov V G Phys. Usp. 47 1177 (2004)
  14. Абрамочкин Е Г, Волостников В Г Современная оптика гауссовых пучков (М.: Физматлит, 2010)
  15. Torres J P, Torner L (Eds) Twisted Photons (Application of Light with Orbital Angular Momentum) (New York: Wiley-VCH, 2011)
  16. Andrews D L, Babiker M (Eds) The Angular Momentum of Light (Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2013)
  17. Coullet P et al. Opt. Commun. 73 403 (1989)
  18. Короленко П В Соросовский образовательный журн. (6) 94 (1998)
  19. Васильев К, Компанец П Пространственные модуляторы света (М.: Радио и связь, 1987)
  20. Saleh B E A, Teich M C Fundamentals of Photonics (Hoboken, N.J.: Wiley Intersci., 2007); Пер. на русск. яз., Салех Б, Тейх М Оптика и фотоника. Принципы и применения (Долгопрудный: Интеллект, 2012)
  21. Алексеев А Н и др. Письма в ЖТФ 24 (9) 68 (1998); Alekseev A N et al. Tech. Phys. Lett. 24 694 (1998)
  22. Воляр А В, Шведов В Г, Фадеева Т А Письма в ЖТФ 25 (3) 87 (1999); Volyar A V, Shvedov V G, Fadeeva T A Tech. Phys. Lett. 25 203 (1999)
  23. Kennedy S A et al. Phys. Rev. A 66 043801 (2002)
  24. Berry M V, Jeffrey M R, Mansuripur M J. Opt. A 7 685 (2005)
  25. Marrucci L, Manzo C, Paparo D Phys. Rev. Lett. 96 163905 (2006)
  26. Allen L, Padgett M J. Mod. Opt. 54 487 (2007)
  27. Wang X-L et al. Phys. Rev. Lett. 105 253602 (2010)
  28. Marrucci L et al. J. Opt. 13 163905 (2011)
  29. Mirhosseini M et al. Opt. Exp. 21 30196 (2013)
  30. Karpeev S V, Alferov S, Khonina S N Opt. Eng. 52 091718 (2013)
  31. Yu H et al. Sci. Rep. 3 3191 (2013)
  32. Mokhun I et al. Appl. Opt. B 53 38 (2014)
  33. Yu N, Capasso F Nature Mater. 13 139 (2014)
  34. Хонина С Н, Алмазов А А Компьютерная оптика 24 102 (2002)
  35. Hemsing E et al. Nat. Phys. 9 549 (2013)
  36. Bekshaev A Ya, Bekshaev A S, Mohammed K A Ukr. J. Phys. Opt. 15 123 (2014)
  37. Sasaki S, McNulty I Phys. Rev. Lett. 100 124801 (2008)
  38. Afanasev A, Michailichenko A arXiv:1109.1603
  39. Bahrdt J et al. Phys. Rev. Lett. 111 034801 (2013)
  40. Jentschura U D, Serbo V G Phys. Rev. Lett. 106 013001 (2011)
  41. Jentschura U D, Serbo V G Eur. Phys. J. C 71 1571 (2011)
  42. Sakai Y et al. Phys. Rev. ST Accel. Beams 18 060702 (2015)
  43. Taira Y, Hayakawa T, Katoh M Sci. Rep. 7 5018 (2017)
  44. Katoh M et al. Phys. Rev. Lett. 118 094801 (2017)
  45. Hernández-García C et al. Photonics 4 28 (2017)
  46. Peele A et al. J. Opt. Soc. Am. A 21 1575 (2004)
  47. Leyser T B et al. Phys. Rev. Lett. 102 065004 (2009)
  48. Thide B et al. Phys. Rev. Lett. 99 087701 (2007)
  49. Сойфер В А и др. ЭЧАЯ 35 1368 (2004); Soifer V A et al. Phys. Part. Nucl. 35 733 (2004)
  50. Ladavac K, Grier D G Opt. Exp. 12 1144 (2004)
  51. Ganchevskaya S V, Skidanov R V "The microturbine rotation by not circular light beam formed by vortex axicon" CEUR Workshop Proc. 1638 24 (2016)
  52. Klar T A, Engel E, Hell S W Phys. Rev. E 64 066613 (2001)
  53. Popiolek-Masajada A, Masajada J, Kurzynowski P Photonics 4 (2) 38 (2017)
  54. Swartzlander G A et al. Opt. Expr. 16 10200 (2008)
  55. Lee J H et al. Phys. Rev. Lett. 97 053901 (2006)
  56. Tamburini F et al. New J. Phys. 14 033001 (2012)
  57. Willner A E et al. Adv. Opt. Photon. 7 66 (2015)
  58. Padgett M J Opt. Exp. 25 11265 (2017)
  59. Ivanov I P Phys. Rev. D 83 093001 (2011)
  60. Ivanov I P, Serbo V G Phys. Rev. A 84 033804 (2011); Ivanov I P, Serbo V G Phys. Rev. A 84 069906 (2011)
  61. Matula O et al. J. Phys. B 46 205002 (2013); Matula O et al. arXiv:1306.3878
  62. Варшалович Д А, Москалев А Н, Херсонский В К Квантовая теория углового момента (Л.: Наука, 1975); Пер. на англ. яз., Varshalovich D A, Moskalev A N, Khersonskii V K Quantum Theory of Angular Momentum (Singapore: World Scientific Publ., 1988)
  63. Scholz-Marggraf H M et al. Phys. Rev. A 90 013425 (2014)
  64. Peshkov A A et al. Phys. Scripta 91 064001 (2016)
  65. Picón A et al. Opt. Expr. 18 3660 (2010)
  66. Afanasev A, Carlson C E, Mukherjee A Phys. Rev. A 88 033841 (2013)
  67. Afanasev A, Carlson C E, Mukherjee A J. Opt. 18 074013 (2016)
  68. Afanasev A, Carlson C E, Solyanik M J. Opt. 19 105401 (2017)
  69. Rodrigues J D, Marcassa L G, Mendonca J T J. Phys. B 49 074007 (2016); Rodrigues J D, Marcassa L G, Mendonca J T arXiv:1512.05933
  70. Jáuregui R Phys. Rev. A 91 043842 (2015)
  71. Kaplan L, McGuire J H Phys. Rev. A 92 032702 (2015)
  72. Surzhykov A et al. Phys. Rev. A 91 013403 (2015)
  73. Schmiegelow C T et al. Nature Commun. 7 12998 (2016)
  74. Afanasev A et al. New J. Phys. 20 023032 (2018); Afanasev A et al. arXiv:1709.05571
  75. Picón A et al. New J. Phys. 12 083053 (2010)
  76. Serbo V G, Surzhykov A, Zaytsev V A "Ionization of hydrogen like atoms by twisted photons: Going beyond the Born approximation", in preparation
  77. Zaytsev V A, Serbo V G, Shabaev V M Phys. Rev. A 95 012702 (2017); Zaytsev V A, Serbo V G, Shabaev V M arXiv:1610.09648
  78. Берестецкий В Б, Лифшиц Е М, Питаевский Л П Квантовая электродинамика (М: Физматлит, 2001); Пер. на англ. яз., Berestetskii V B, Lifshitz E M, Pitaevskii L P Quantum Electrodynamics (Oxford: Butterworth-Heinemann, 1999)
  79. Salvat F et al. Comput. Phys. Commun. 90 151 (1995)
  80. Muller R A et al. Phys. Rev. A 94 041402(R) (2016)
  81. He J X et al. Opt. Exp. 21 20230 (2013)
  82. Xie Z et al. Sci. Rep. 3 03347 (2013)
  83. Miyamoto K et al. Appl. Phys. Lett. 104 261104 (2014)
  84. Imai R et al. Opt. Lett. 39 3714 (2014)
  85. Wei X et al. Appl. Opt. 54 10641 (2015)
  86. Knyazev B A et al. Phys. Rev. Lett. 115 163901 (2015)
  87. Choporova Yu Yu et al. Phys. Rev. A 96 023846 (2017)
  88. Wu Z et al. Opt. Exp. 26 1506 (2018)
  89. Bliokh K Y et al. Phys. Rev. A 82 063825 (2010)
  90. Born M, Wolf E Principles of Optics (Oxford: Pergamon Press, 1968)
  91. Guenther R D Modern Optics (New York: Wiley, 1990)
  92. Dexheimer S L (Ed.) Terahertz Spectroscopy. Principles and Applications (Boca Raton: CRC Press, 2008)
  93. Wang X et al. Opt. Commun. 283 4626 (2010)
  94. Yu N et al. Science 334 333 (2011)
  95. Vitiello M S et al. Opt. Exp. 23 5167 (2015)
  96. Вакс В Л и др. УФН 184 739 (2014); Vaks V L et al. Phys. Usp. 57 684 (2014)
  97. Вакс В Л и др. Изв. вузов. Радиофизика 59 916 (2016); Vaks V L et al. Radiophys. Quantum Electron. 59 821 (2017)
  98. Knyazev B A, Kulipanov G N, Vinokurov N A Meas. Sci. Technol. 21 054017 (2010)
  99. Seidel W et al. 38th Intern. Conf. Infrared Millimeter Terahertz Waves 2013 (2013) p. 1
  100. Kulipanov G N et al. IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 5 798 (2015)
  101. Сойфер В А (Ред.) Дифракционная компьютерная оптика (М.: Физматлит, 2007)
  102. Гончарский А В и др. Введение в компьютерную оптику (М.: Изд-во МГУ, 1991)
  103. Durnin J J. Opt. Soc. Am. A 4 651 (1987)
  104. Goodman J W Introduction to Fourier Optics (San Francisco: McGraw-Hill, 1968); Пер. на русск. яз., Гудмен Д Введение в Фурье-оптику (М.: Мир, 1970)
  105. Durnin J, Miceli J J (Jr.), Eberly J H Phys. Rev. Lett. 58 1499 (1987)
  106. Lin Y et al. Appl. Opt. 31 2708 (1992)
  107. Jiang Z, Lu Q, Liu Z Appl. Opt. 34 7183 (1995)
  108. McGloD, Dholakia K Contemp. Phys. 46 15 (2005)
  109. Пятницкий Л Н Волновые бесселевы пучки (М.: Физматлит, 2012)
  110. Simon D S A Guided Tour of Light Beams: From Lasers to Optical Knots (Santa Clara, CA: Morgan Claypool Publ., 2016)
  111. Duocastella M et al. Laser Photon. Rev. 6 607 (2012)
  112. Courvoisier F et al. Appl. Phys. A 112 29 (2013)
  113. Purnapatra S B, Bera S, Mondal P P Sci. Rep. 2 692 (2012)
  114. Bitman A, Moshe I, Zalevsky Z Opt. Lett. 37 4164 (2012)
  115. Ok G et al. Sensors 13 71 (2013)
  116. Busch S F et al. J. Infr. Millimeter. Terahertz Waves 36 318 (2015)
  117. Mcleod J H J. Opt. Soc. Am. 44 592 (1954)
  118. Volodkin B et al. Opt. Quantum Electron. 48 223 (2016)
  119. Андреев Н Е и др. Квантовая электрон. 23 130 (1996); Andreev N E et al. Quantum Electron. 26 126 (1996)
  120. Дегтярев С А и др. Компьютерная оптика 38 237 (1992)
  121. Лаврентьев М А, Шабат Б В Методы теории функций комплексного переменного (М.: Наука, 1987)
  122. Ландау Л Д, Лифшиц Е М Квантовая механика. Нерелятивистская теория (М.: Наука, 1989); Пер. на англ. яз., Landau L D, Lifshitz E M Quantum Mechanics. Non-Relativistic Theory (Oxford: Pergamon Press, 1977)
  123. Dem'yanenko M A et al. Appl. Phys. Lett. 92 131116 (2008)
  124. Dem'anenko M A et al. J. Opt. Technol. 76 739 (2009)
  125. Dem'yanenko M A et al. Optoelectron. Instrum. Data Process. 47 109 (2011)
  126. Knyazev B A et al. J. Infr. Millimeter Teraherz Waves 32 1207 (2011)
  127. Knyazev B A et al. EPJ Web Conf. 149 05001 (2017)
  128. Choporova Yu Yu, Knyazev B A, Mitkov M S IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 5 836 (2015)
  129. Arrizón V et al. Opt. Lett. 34 1456 (2009)
  130. Agafonov A N et al. Optoelectron. Instrum. Data Process. 49 189 (2013)
  131. Choporova Y Y et al. EPJ Web Conf. 149 05003 (2017)
  132. Knyazev B A et al. 41st Intern. Conf. Infrared Millimeter Terahertz Waves
  133. Choporova Y et al. Phys. Procedia 84 175 (2016)
  134. Allen L, Padgett M J Opt. Commun. 184 67 (2000)
  135. Berry M V, McDonald K T J. Opt. A 10 035005 (2008)
  136. Bekshaev A, Bliokh K Yu, Soskin M J. Opt. 13 053001 (2011)
  137. Arlt J J. Mod. Opt. 50 1573 (2003)
  138. Ghai D P, Senthilkumarana P, Sirohic R S Opt. Laser Eng. 47 123 (2009)
  139. Ferreira Q S et al. Opt. Lett. 36 3106 (2011)
  140. Masajada J Opt. Commun. 175 289 (2000)
  141. Kumar A, Vaity P, Singh R P Opt. Commun. 283 4141 (2010)
  142. Hickmann J M et al. Phys. Rev. Lett. 105 053904 (2010)
  143. Guo C-S, Yue S-J, Wei G-X Appl. Phys. Lett. 94 231104 (2009)
  144. Berkhout G C G, Beijersbergen M W J. Opt. A 11 094021 (2009)
  145. Sztul H I, Kartazayev V, Alfano R R Opt. Lett. 31 2725 (2006)
  146. Emile O, Emile J Appl. Phys. B 117 487 (2014)
  147. Agranovich V M, Mills D L (Eds) Surface Polaritons: Electromagnetic Waves at Surfaces and Interfaces (Oxford: Oxford Univ. Press, 1982)
  148. Майер С А Плазмоника: теория и приложения (М. - Ижевск: PХД, 2011)
  149. Климов В В Наноплазмоника (М.: Физматлит, 2010); Klimov V Nanoplasmonic (Boca Raton, FL: CRC Press, Taylor and Francis Group, 2014)
  150. Ремнев М А, Климов В В УФН 188 169 (2018); Remnev M A, Klimov V V Phys. Usp.
  151. Novotny L, Hecht B Principles of Nano-Optics (Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2006)
  152. Jeon T-I, Grischkowsky D Appl. Phys. Lett. 88 061113 (2006)
  153. Gerasimov V V et al. J. Opt. Soc. B 30 2182 (2013)
  154. Gerasimov V V et al. J. Opt. Soc. B 33 2196 (2016)
  155. Nazarov M et al. Opt. Commun. 277 33 (2007)
  156. Gerasimov V V et al. Opt. Exp. 23 33448 (2015)
  157. Stegeman G I, Wallis R F, Maradudin A A Opt. Lett. 8 386 (1983)
  158. Kotelnikov I A, Gerasimov V V, Knyazev B A Phys. Rev. A 87 023828 (2013)
  159. Birr T et al. Opt. Exp. 23 31755 (2015)
  160. Knyazev B et al. "Quasi-Talbot effect with vortex beams and formation of vortex beamlet arrays" Opt. Exp. (2017), submitted
  161. Heckenberg N R et al. Optical Vortices (Horizons in World Physics, Vol. 228, Ed. M Vasnetsov) (Hauppauge, NY: Nova Sci. Publ., 1999) p. 75
  162. Gatto A et al. J. Opt. 13 064018 (2011)
  163. Serbo V G et al. Phys. Rev. A 92 012705 (2015); Serbo V G arXiv:1505.02587

© Успехи физических наук, 1918–2021
Электронная почта: ufn@ufn.ru Телефоны и адреса редакции О журнале Пользовательское соглашение