Angularly accelerating optical beams

Abstract

Structured light has recently emerged as a topic of wide interest in optics. In its more general description Structured Light refers to the controlled modulation of an optical light beam in order to engineer its properties along propagation. By modulating the phase, the amplitude, and the polarization of a light we can control the intensity, phase and polarization distribution along propagation. This thesis is focused on the theoretical study of light beams that twist as they propagate. By introducing novel design approaches we have introduced a new family of structured light, referred to as Tornado Waves (ToWs), that abruptly autofocus while twisting in an accelerating fashion. Using numerical simulations, we have demonstrated that light structures with features that twist and shrink with trajectories resembling the shape of a Tornado can be generated by beams that carry orbital angular momentum (OAM). Our findings show that Tornado waves can exhibit angular acceleration, a measure of how the pitch of the spiraling structure varies along propagation, that is orders of magnitude higher compared to the bibliography. Likewise, we have revealed the interplay between phase singularities and intensity features that synchronously twist in Tornado waves. Finally, we have extended our study to structured polarized light and more specifically to Poincaré beams that exhibit interwinding polarization singularities and chiral polarized domains. Our results offer new directions of research in areas related to the spiraling behavior of light such as optical tweezers, singular optics, direct laser writing, non-linear wave mixing, harmonic generation, wavefront shaping, and polarization engineering.

Το δομημένο φως έχει πρόσφατα αναδειχθεί ως θέμα ευρύτερου ενδιαφέροντος στην οπτική. Στη γενικότερη περιγραφή του, το δομημένο φως αναφέρεται στην ελεγχόμενη μορφοποίηση μιας δέσμης φωτός με σκοπό τη διαμόρφωση των ιδιοτήτων της κατά τη διάδοσή. Ρυθμίζοντας τη φάση, το πλάτος και την πόλωση του φωτός μπορούμε να ελέγξουμε την ένταση, τη φάση και την κατανομή πόλωσης κατά μήκος της διάδοσης. Αυτή η διατριβή επικεντρώνεται στη θεωρητική μελέτη δεσμών φωτός που συστρέφονται κατά τη διάδοσή τους. Με την εισαγωγή καινοτόμων σχεδιαστικών προσεγγίσεων έχουμε εισαγάγει μια νέα οικογένεια δομημένου φωτός, που αναφέρεται ως Tornado Waves (ToWs), που αυτό-εστιάζουν απότομα ενώ συστρέφονται με επιταχυνόμενο τρόπο. Χρησιμοποιώντας αριθμητικές προσομοιώσεις, αποδείξαμε ότι οι δομές φωτός με χαρακτηριστικά που συστρέφονται και συρρικνώνονται ακολουθώντας τροχιές που μοιάζουν με το σχήμα ενός ανεμοστρόβιλου μπορούν να δημιουργηθούν από δέσμες που φέρουν τροχιακή στροφορμή (OAM). Τα ευρήματά μας δείχνουν ότι τα παραπάνω κύματα μπορούν να παρουσιάσουν γωνιακή επιτάχυνση, ένα μέτρο για το πώς μεταβάλλεται το βήμα της σπειροειδούς τροχιάς κατά μήκος της διάδοσης, που είναι τάξεις μεγέθους υψηλότερες σε σύγκριση με τη βιβλιογραφία. Ομοίως, αποκαλύψαμε την αλληλεπίδραση μεταξύ των ιδιομορφιών φάσης και χαρακτηριστικών έντασης που συστρέφονται συγχρονισμένα στα κύματα Tornado. Τέλος, έχουμε επεκτείνει τη μελέτη μας σε δομημένο πολωμένο φως και πιο συγκεκριμένα σε δέσμες Poincaré που παρουσιάζουν περιελισσόμενες ιδιομορφίες πόλωσης και χειρόμορφα πολωμένες περιοχές.Τα αποτελέσματά μας προσφέρουν νέες ερευνητικές κατευθύνσεις που σχετίζονται με τη σπειροειδή συμπεριφορά του φωτός, όπως οι οπτικές λαβίδες, οπτική ιδιομορφιών, η εγγραφή με λέιζερ, η μη-γραμμική ανάμειξη κυμάτων, η παραγωγή αρμονικών, και η διαμόρφωση μετώπου κύματος και πόλωσης.