I många situationer, det är rättvist att säga att ljus färdas i en rak linje utan att mycket händer på vägen. Men ljus kan också dölja komplexa mönster och beteenden som bara en noggrann observatör kan avslöja.

Detta är möjligt eftersom ljus beter sig som en våg, med egenskaper som spelar roll i flera intressanta fenomen. En sådan egenskap är fas, som mäter var du är på en böljande våg – om du sitter på en topp, ett tråg eller någonstans däremellan. När två (i övrigt identiska) ljusvågor möts och är ur fas, de kan störa varandra, kombinera för att skapa intrikata mönster. Fas är en integrerad del av hur ljusvågor interagerar med varandra och hur energi flödar i en stråle eller puls av ljus.

Forskare vid University of Maryland, ledd av UMD fysikprofessor Howard Milchberg, har upptäckt nya sätt att ljusets fas kan bilda optiska virvlar – mönster som kallas spatiotemporala optiska virvlar (STOV). I en artikel publicerad i tidningen Optica den 18 december, 2019, forskarna fångade den första synen på dessa fasvirvlar belägna i rum och tid, utvecklar en ny metod för att observera ultrasnabba ljuspulser.

Varje STOV är en ljuspuls med ett speciellt mönster av intensitet - ett mått på var energin är koncentrerad - och fas. I STOV:erna som utarbetats av Milchberg och hans medarbetare, intensiteten bildar en slinga i rum och tid som forskarna beskriver som en kant-först flygande munk:Om du kunde se pulsen flyga mot dig, du skulle bara se kanten på munken och inte hålet. (Se bilden längst till vänster nedan, där negativa tider är tidigare.) I samma område av rum och tid, fasen av ljuspulsen bildar ett virvlande mönster, skapa en virvel centrerad på munkhålet (bilden längst till höger).

Milchberg och kollegor upptäckte STOV:er 2016 när de hittade strukturer som liknar "optiska rökringar" som bildas runt intensiva laserstrålar. Dessa ringar har en fas som varierar runt deras kant, som luftströmmarna som virvlar runt en rökring. Virvlarna som gjordes i den nya studien är en liknande men enklare struktur:Om du tänker på den ursprungliga rökringen som ett armband gjord av pärlor, de nya STOV:erna är som de enskilda pärlorna.

Det tidigare arbetet visade att STOV:er ger en elegant ram för att förstå en välkänd högintensiv lasereffekt - självstyrande. Vid hög intensitet, denna effekt uppstår när en laserpuls, interagerar med mediet den färdas genom, komprimerar sig själv till en tät stråle. Forskarna visade att i denna process, STOV:er är ansvariga för att styra energiflödet och omforma lasern, trycker ihop energi på framsidan och isär på baksidan.

Den första upptäckten tittade på hur dessa ringar bildades runt en ljusstråle i två dimensioner. Men forskarna kunde inte utforska virvlarnas interna arbete eftersom varje puls är för kort och snabb för att tidigare etablerade tekniker ska kunna fångas. Varje puls passerar på bara femtosekunder - ungefär 100 biljoner gånger snabbare än ett ögonblick.

"Det här är inte mikrosekunds- eller ens nanosekundpulser som du bara använder elektronik för att fånga, säger Sina Zahedpour, en medförfattare till uppsatsen och UMD fysik postdoktoral associate. "Det här är extremt korta pulser som du behöver använda optiska knep för att avbilda."

För att fånga både intensiteten och fasen av de nya STOV:erna, forskare behövde förbereda ytterligare tre pulser. Den första pulsen möttes av STOV inuti ett tunt glasfönster, producerar ett interferensmönster kodat med STOV-intensiteten och -fasen. Mönstret lästes ut med två längre pulser, producerar data som visas i bilden ovan.

"Verktygen vi tidigare bara hade tittat på ljusets amplitud, " säger Scott Hancock, en UMD-fysikstudent och första författare till uppsatsen. "Nu, vi kan få hela bilden med fas, och detta är ett bevis på att principen fungerar för att studera ultrasnabba fenomen."

STOV kan ha en motståndskraft som är användbar för praktiska tillämpningar eftersom deras vridning, skruvliknande fas gör dem robusta mot små hinder. Till exempel, när en STOV färdas genom luften, delar av pulsen kan blockeras av vattendroppar och andra små partiklar. Men när de fortsätter, STOV:erna tenderar att fylla i de små sektionerna som slogs ut, reparera mindre skador på ett sätt som kan hjälpa till att bevara all information som registreras i pulsen. Också, eftersom en STOV-puls är så kort och snabb, den är likgiltig för normala fluktuationer i luften som är jämförelsevis långsamma.

"Kontrollerad generering av spatiotemporala optiska virvlar kan leda till tillämpningar som fjädrande spridning av information eller strålkraft genom turbulens eller dimma, ", säger Milchberg. "Dessa är viktiga för applikationer som optisk kommunikation med fritt utrymme med laser eller för att försörja ström från markstationer till flygfarkoster."