Оптический вихрь – это свет, волновой фронт которого представляет собой винтовую поверхность, ось которой совпадает с направлением распространения света. Попадая на плоскую поверхность, оптический вихрь проявляется как световое кольцо с темным пятном в центре. Для характеристики вихря используется значение топологического заряда, зависящее от количества полных оборотов волнового фронта вокруг своей оси на одной длине волны. Чем выше заряд, тем быстрее «закручивается» свет, а направление закручивания определяется положительным или отрицательным знаком заряда. С момента своего открытия оптические вихри нашли широкое применение в телекоммуникации и оптических манипуляциях.

Исследователи ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» и Сибирского федерального университета теоретически и экспериментально изучили дифракцию оптических вихрей на двумерной решетке и впервые наблюдали связанный с этим эффект Тальбота для видимого света с различными топологическими зарядами.

Эффект Тальбота – известный оптический феномен. Его суть заключается в том, что при прохождении света через периодическую решетку происходят последовательные дифракция и интерференция световых волн. В результате на определенных расстояниях за решеткой формируются распределения интенсивности света, напоминающие изображение решётки.

Чтобы обнаружить этот эффект для видимого света ученые использовали прозрачную кварцевую пластину, покрытую непрозрачной серебряной пленкой. При этом в покрытии был перфорирован регулярный массив круглых отверстий. Непрозрачное для света покрытие с массивом отверстий представляло собой дифракционную решётку, необходимую для наблюдения эффекта Тальбота.

Помимо самого эффекта, авторы работы также впервые для видимого света с различными топологическими зарядами получили так называемые ковры Тальбота. Они представляют собой фрактальный узор, созданный из проецируемых изображений. Такие узоры свидетельствуют о том, что интенсивность дифрагированного света, образуя оптические решетки, распределяется в них упорядоченно. Свет в таких решетках располагается симметрично и формирует периодическую пространственную структуру.

Подробнее исследуя распределение интенсивности света, авторы работы смогли экспериментально воспроизвести элементарную ячейку трехмерной оптической решетки. Для этого физики направляли вихревые лазерные пучки на дифракционную решетку. Проходя через нее, лазерные пучки интерферировали друг с другом с образованием кольцеобразных структур.

«Изучение вихревых лазерных пучков актуально для современной физики. Для нас было важно экспериментально обнаружить эффект Тальбота для вихревых пучков в видимом диапазоне спектра. Результаты наших расчетов хорошо согласуются с экспериментами и могут быть использованы для создания и оптимизации трехмерных решеток из лазерных пучков. Эффект Тальбота, например, может использоваться в фотолитографии для получения периодических субмикронных структур, размеры которых в несколько раз меньше размера структурных элементов исходной маски. Под действием импульса и орбитального углового момента света с помощью упорядоченных массивов оптических вихрей можно манипулировать микрообъектами в биологии, медицине и материаловедении. Наши результаты помогут глубже понять фундаментальные свойства материи и взаимодействие света с веществом», — рассказал о результатах работы кандидат физико-математических наук, заместитель директора по научной работе Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН Андрей Вьюнышев.

Работа была поддержана Российским научным фондом (проект № 19-12-00203).