Vektorielle Poincaré Strahlen

Polarisation ist eine fundamentale und zugleich faszinierende Eigenschaft transversaler Wellen, wie beispeilsweise von Licht, Gravitationswellen und Schallwellen in Festkörpern. Dementsprechend spielt Polarisation eine wichtige Rolle in der Optik, der Seismologie, dem Radio oder bei Mikrowellen. Insbesondere aktuelle Technologien im Bereich der Photonik, wie Laser selbst oder Fasertechnologien, werden durch Polarisation beeinflusst, wodurch eine wachsende Aufmerksamkeit bezüglich der Untersuchung und Beeinflussung dieser Eigenschaft des Lichts entstanden ist.

Forschung im Bereich der Polarisation führte zu der Entdeckung der sogenannten vektoriellen Poincaré-Strahlen. Im Gegensatz zu skalaren Lichtfelder, welche eine homogene Verteilung der Polarisation aufweisen, zeigen diese Strahlen variierende Polarisationszustände in ihrer transversalen Ebene [Otte2015, Alpmann2016]. Die enthaltenen Zustände sind einzelnen oder mehreren Teilen der Poincaré Kugel (eine Einheitskugel zur Visualisierung von Polarisationszuständen, aufgespannt durch die Stokes Parameter) zuzuordnen, was den Namen dieser Lichtfelder begründet. Auf Grund der Strukturierung der Polarisation treten spezielle Positionen auf, in welchen Spezifikationen der Polarisationszustände verschwinden. In diesen Polarisationssingularititäten ist der Zustand selbst (V-Point), seine Orientierung (C-Point/ Line) oder Händigkeit (L-Point/ Line) undefiniert [Otte2015, Alpmann2016]. Die Untersuchung dieser Lichtfelder sowie im Speziellen deren Singularitäten ist dem Gebiet der singulären Optik zuzuordnen. Außerdem sind die Eigenschaften der Poincaré Strahlen bezüglich vieler Anwendungen von großem Interesse, beispielsweise im Bereich des optischen Fangens im Nanometer-Regime, hochauflösender Bildgebung und Informationscodierung mit hoher Kapazität.

Um maßgeschneiderte Poincaré Strahlen mit Polarisationssingularitäten von vordefinierter Art, Ordnung, Anzahl und Position experimentell  zu erzeugen, verwenden wir eine holographische Technik basierend auf einem Phasenmodulator in Kombination mit zwei Wellenplatten [Otte2015, Alpmann2016]. Diese Methode ermöglicht eine dynamische, räumlich aufgelöste modulation der Polarisation, wodurch neuartige Poincaré Strahlen erzeugt werden können.

Wir untersuchen linear polarisierte Vektor Strahlen, deren Orientierung sich innerhalb der transversalen Ebene regelmäßig ändert. Diese Strahlen können Blumen und Spinnenweben ähneln [Otte2016]. Zum Anderen haben wir unregelmäßig strukturierte und sogar hybride Vektorfelder vorgestellt, erzeugt und analysiert [Otte2016]. Diese neuen Arten von Poincaré Strahlen zeigen die Formen von deformierten Blumen/ Spinnweben und Hybriden aus Blumen und Spinnweben (s. Abb. unten), welche die Untersuchung von fundamentalen Fragen der singulären Optik ermöglichen. Des Weiteren ebnen diese Felder den Weg zu erweiterten Anwendungen maßgeschneiderter Lichtfelder. 

Neben den Vektorstrahlen bilden die Ellipsenfelder eine weitere Unterklasse der Poincaré Strahlen, welche neben linear polarisierten Zuständen auch elliptische und zirkulare enthalten. Durch unsere holographische Methode können wir auch diese Strahlen, welche unterschiedliche Singularitäten beinhalten, erzeugen. Wir analysieren die erzeugten Strahlen in der transversalen Ebene, sowie auch in ihrer longitudinalen Entwicklung. Weiterhin ist es möglich, Untersuchungen in der Bild- aber auch in der Fourierebene der Strahlen durchzuführen.

Abschließend können wir skalare und vektorielle Poincaré Lichtfelder durch eine Kombination von Amplituden-, Phasen- und Polarisationsmodulation vereinen [Otte2015, Alpmann2016]. Diese Methode ermöglicht maßgeschneiderte Lichtfelder, welche neue Ansätze für z.B. optische Mikromanipulation liefern: durch eine Kombination von Strahlen, welche einen räumlich variierenden Bahn- (OAM, orbital angular momentum) und Spin- (SAM, spin angular momentum) Drehimpuls tragen, können individuell angepasste Energie-Landschaften und Energiefluss-Strukturen für optische Pinzetten realisiert werden.

References:

• [Otte2015] Otte E, Schlickriede C, Alpmann C and Denz C 2015 “Complex light fields enter a new dimension: holographic modulation of polarization in addition to amplitude and phase” Proceedings of SPIE vol. 9379, 937908
• [Otte2016] Otte E, Alpmann C, and Denz C 2016 “Higher-order polarization singularities in tailored vector beams” Journal of Optics 18 074012
• [Alpmann2016] Alpmann C, Schlickriede C, Otte E and Denz C 2016 “Dynamic modulation of Poincaré beams” submitted