Fotoniska kristallfibrer (PCF) är strängar av glas, inte mycket tjockare än ett människohår, med ett galler av ihåliga kanaler som löper längs fibern. Om de kontinuerligt vrids i sin produktion, de liknar en multihelix. Twisted PCF visar några fantastiska funktioner, från cirkulär dubbelbrytning till bevarande av rörelsemängden. Den största överraskningen, dock, är den robusta ljusstyrningen i sig, utan synlig fiberkärna. Grunden för detta är krafter som, som gravitation, baseras på utrymmets krökning.

Kirala material består av många identiska enheter (molekyler eller nanostrukturerade element) som antingen är slumpmässigt orienterade i lösning eller ordnade på ett ordnat sätt. De är allmänt förekommande till sin natur - t.ex. de flesta biologiska molekyler finns i höger- och vänsterhänta former – och de hittar ett ökande antal tillämpningar inom vetenskap och teknik. Tvinnad fotonisk kristallfiber (t-PCF), i kontrast, består av en enda enaxlig kiral enhet som är oändligt utsträckt i den tredje dimensionen – vridningens riktning. PCF själv består vanligtvis av en hexagonal uppsättning av ihåliga mikrokanaler som löper längs längden av en glasfiber ~100 µm tjock, så att när den vrids liknar den en "multi-helix" av spiralformade mikrokanaler runt en central axel (Fig. 1(a)).

Under de senaste åren har vi studerat ljusets beteende i en rad olika typer av t-PCF, i processen att avslöja några överraskande fenomen och utforska potentiella tillämpningar.

Vi använder två tekniker för att producera t-PCF. I den första, en otvinnad PCF efterbehandlas under CO2-laseruppvärmning, fibern är monterad mellan ett motoriserat rotationssteg och ett styvt stöd (fig. 2(a)). När motorn roterar, den fokuserade 10 µm laserstrålen skannas längs fibern med hjälp av en styrspegel fäst på ett precisionsmotoriserat translationssteg. När måltwistperioden och provlängden är inställda, lasereffekten och skanningshastigheten väljs för att värma fibern till glasmjukningstemperaturen. Skrivprocessen är datorstyrd och kan uppnå vridningsperioder så korta som 300 μm. Den andra tekniken involverar spinning av glasförformen under fiberdragning, med hjälp av en motor som roterar med några tusen rpm och en roterande koppling med flera inlopp för att kontrollera trycket inuti de ihåliga kanalerna (fig. 2(b)). Det har fördelen att långa längder (100-tals meter) av spiralformad PCF med vridningsperioder på några millimeter lätt kan tillverkas.

Topologiska effekter

Utbredningen av elektromagnetiska vågor i spiralformade strukturer började på allvar på 1940-talet, med uppfinningen av rörförstärkaren för resande vågor. I denna anordning leds en mikrovågssignal längs en spiralformad tråd som spiralformar runt en axiellt fortplantande elektronstråle. Eftersom det fysiska avståndet över vilket den spiralformade mikrovågssignalen färdas är längre än avståndet direkt längs axeln, dess grupp- och fashastigheter reduceras båda effektivt. Genom lämplig design kan hastighetsskillnaden mellan de två vågorna justeras, tillåter mikrovågssignalen att förstärkas med kraft från elektronstrålen. På liknande sätt, den geometriska sträckningen av beklädnadsstrukturen i en t-PCF orsakar den effektiva optiska väglängden längs axeln, och därmed det effektiva brytningsindexet, att öka topologiskt med radien ρ efter förhållandet neff(ρ) =n0(1 + α2ρ2)1/2 där n0 är indexet i det otvinnade fallet och α vridningshastigheten i rad/m (se fig. 1(b)) .

Spektralnedgångar i t-PCF med enkel kärna

Denna topologiska effekt gör det till exempel möjligt att fasmatcha ljus som leds i en central solid glaskärna (modalt index nc) till det fundamentala utrymmesfyllningsläget i beklädnaden (fasindex nSM i den otvinnade fibern) med resultatet att ljus kan läcka ut i beklädnadslägen vid vissa våglängder. Detta resulterar i en serie fall i transmissionsspektrumet, orsakas av anti-korsningar mellan kärnläget och läckande ringformade kapslingslägen (fig. 1(c)) som bär orbital vinkelmoment (OAM), varje dopp motsvarar en annan OAM-ordning. Eftersom beklädnadens ljus avleds av de ihåliga kanalerna till en spiralbana, den azimutala komponenten i dess vågvektor måste ta värden som ger en fasförskjutning tur och retur som är en heltalsmultipel av 2π, var är OAM-ordern. Detta leder till tillståndet:

(ℓ λℓ) / (2π) =n _az ρ =n _SM ρ sinΨ ≈ n _SM α ρ2 (1)

var är dippvåglängden för OAM-ordern, naz den azimutala komponenten av brytningsindex, och den lokala vinkeln mellan de ihåliga kanalerna och fiberaxeln. Ekv. (1) ger anmärkningsvärt god överensstämmelse med experimentella mätningar, visar i synnerhet att doppvåglängderna skalas linjärt med vridningshastigheten. Vi har använt vridnings- och töjningskänsligheten för dessa dips för att konstruera en helt optisk vrid-töjningsgivare.

Spiralformade Bloch-vågor

Att förstå fysiken för ljusutbredning i t-PCF är ganska utmanande, eftersom det naturliga koordinatsystemet – spiralformigt – är icke-ortogonalt. Detta ledde till att vi introducerade ett nytt koncept:spiralformade Bloch-vågor. De optiska Bloch-vågorna av en icke vriden periodisk struktur beskrivs av produkten av en periodisk funktion P(r) (med periodiciteter som matchar strukturen) och en term som representerar fasförloppet för Bloch-vågen. En bekväm fysisk bild för moderna som styrs i en t-PCF kan konstrueras genom att generalisera Blochs teorem så att den azimutalt periodiska funktionen följer vridningen, tar formen där är den radiella koordinaten och den azimutala vinkeln. Vid ett givet värde på z, P kommer att upprepas med vinkelintervall, där N är antalet gånger strukturen upprepas över ett varv 2π. Bloch-vågorna kan sedan beräknas analytiskt med hjälp av en expansion i termer av azimutala övertoner av OAM-ordning. Genom att ersätta detta fält Ansatz i Maxwells ekvationer kan dispersionsrelationen härledas.

För att utforska egenskaperna hos spiralformade Bloch-vågor, vi tillverkade en t-PCF med en ring av sex solida glas "satellit" kärnor runt sin axel (Fig. 3(a)). De ihåliga kanalerna hade en diameter på 2 µm, åtskilda med 3 µm, och vridningshastigheten var 2,9 rad/mm. Denna struktur stöder 6 icke-degenererade spiralformade Bloch-lägen med olika värden på orbital vinkelmoment, i både vänster och höger cirkulärt polariserade tillstånd. För att bestämma OAM-ordningen för lägena som styrs genom t-PCF, utsignalen överlagrades på en divergerande gaussisk stråle och det resulterande fransmönstret avbildades med en CCD-kamera. Enkel- och dubbelspiralinterferensmönstren i fig. 3(b), som registrerades vid en våglängd av 632,8 nm, bekräfta att fibern genererar optiska virvlar och bevarar storleken och tecknet på OAM för alla fyra lägena. Liknande experiment utförda vid flera våglängder och för fibrer upp till 50 m långa har bekräftat att t-PCF:erna bevarar storleken och tecknet på OAM.

Styrning av ljus i vridet utrymme

Vi har upptäckt en ny mekanism för ljusstyrning, baserad på en t-PCF utan kärna. Klyvning av fibern och undersökning av dess tvärsnitt avslöjar en fullständig frånvaro av någon struktur vid vilken ljus skulle kunna fångas (se fig. 4(a)). Ändå stöder den ett styrt läge:den spiralformade vridningen skapar en topologisk kanal i ljus som är robust fångat. Detta uppstår från den kvadratiska ökningen av den optiska väglängden med radien (som nämns ovan), som ger en radiell gradient i axiellt brytningsindex, skapar en potentiell brunn inom vilken ljus begränsas av fotoniska bandgap-effekter. Använda matematiska verktyg från allmän relativitetsteori, vi har visat att ljusets geodetik följer slutna spiralbanor inom den topologiska kanalen, formningslägen som bär OAM. Den effektiva arean för dessa lägen minskar med vridningshastigheten α, så att genom att variera vridningshastigheten längs fibern, det skulle vara möjligt att skapa fibrer vars modfältsdiameter ändras med position. Till skillnad från konventionella indexstyrande fibrer, där det guidade läget skiftar mot utsidan av kurvan ("normal kurvtagning"), detta mycket ovanliga läge växlar inåt mot kurvan ("anomal kurvtagning"). Hamiltonsk optik visar att läget kan ses ha negativ effektiv massa (orsakad av motsatt tecken på dispersionsytans krökning), så att den rör sig i motsatt riktning när den utsätts för böjkrafter.

Slutsatser

Förmågan hos t-PCF att generera och stödja OAM-lägen, samt tillhandahålla optisk aktivitet och cirkulär dikroism, tyder på att det kan bli användbart i många applikationer. Serien av transmissionsdippar vid vridningsbara våglängder i solid-core PCF har tillämpningar inom avkänning och filtrering. Överföringen och bevarandet av cirkulära polarisationstillstånd gör t-PCF mycket intressant för strömavkänning baserad på Faraday-rotation. Dess förmåga att robust överföra rena OAM-tillstånd över långa avstånd kan leda till tillämpningar inom partikelmanipulation och telekommunikation. Det verkar troligt att många av dessa effekter och fenomen kommer att flytta in i verkliga tillämpningar inom en snar framtid. Ännu outforskat är användningen av t-PCF i olinjär optik och fiberlasrar, där kombinationen av cirkulär och OAM dubbelbrytning med kontroll av grupphastighetsdispersion kan erbjuda möjligheter för nya typer av modlåsta solitonlasrar, våglängdsomvandlingsanordningar och superkontinuumkällor.