Generación y caracterización de vórtices ópticos

Abstract

Todo ente o fenómeno en la naturaleza posee una descripción matemática que se compone de amplitud y fase, de las cuales los científicos se valen para construir modelos que interpreten y descubran los comportamientos observados en ella. Cuando aparece un vórtice en la naturaleza (Ejemplo: remolinos de aire o de agua) se explican a partir de indeterminaciones en la fase del ente físico estudiado y la desaparición de la amplitud del mismo en un punto. La luz no se exime de esta situación, con la propagación de una onda electromagnética que transporte una indeterminación en la fase, observada como una nulidad del campo, se dice que se tiene un vórtice óptico. En 1992 L. Allen introdujo un concepto revolucionario que explicaba la aparición y la propagación de este fenómeno en la luz. Allen dijo que los frentes de onda que contienen un vórtice óptico sobre su eje de propagación, se retuercen de forma helicoidal dando lugar al transporte de Momento Angular Orbital de la luz. A este fenómeno se le asocia el número que está relacionado con la cantidad cuántica de Momento Angular Orbital de cada fotón. Con la aparición de este nuevo concepto, los estudios en el tema se dispararon convirtiéndose en uno de los fenómenos de frontera para investigar, puesto que, al estudiar el transporte de Momento Angular de Espín y Orbital se pueden desarrollar nuevas tecnologías que favorezcan unas ya conocidas: Encriptación, pinzas ópticas, motores diminutos, computación cuántica, telecomunicaciones, etc. Como los vórtices ópticos y así mismo el Momento Angular Orbital de la luz, se describe mediante el número cuántico, conocido como la carga topológica, el estudio en este campo se centra en las propiedades obtenidas por estos frentes de onda helicoidales a partir de ésta. Para cargas topológicas enteras se producen frentes de onda helicoidales que presentan un número de aspas unidas en el eje de propagación, relacionado precisamente con la carga. Mientras que para cargas topológicas fraccionarias el punto de unión de las aspas, el vórtice óptico, se separa generando un conjunto de éstas, propagándose de forma individual en el espacio. Además que aparece una línea de oscuridad junto con el vórtice óptico, que en la actualidad está siendo estudiada su fenomenología y utilidad. El objetivo del presente trabajo es producir la manera de detectar el valor de la carga topológica de vórtices ópticos. Al implementar los estados de Momento Angular Orbital como marca para una información trasmitida mediante luz, es necesario tener la capacidad de detectarla es decir, caracterizar con buena precisión el valor de la Carga topológica asociada al vórtice óptico para poder conseguir un transporte de información exitoso. Para conseguir el objetivo planteado se realizó un estudio teórico para vórtices ópticos y para la propagación de frentes de onda que transportan Momento Angular Orbital. En éste se discrimina la propagación del campo electromagnético para cargas topológicas enteras y fraccionarias. Se exponen las diferentes formas de generar vórtices ópticos presentando ventajas y desventajas de cada una. Se muestran resultados computacionales que se toman como teóricos y experimentales indicando las características de montaje para su creación. Luego se prueban diferentes métodos de caracterización de vórtices ópticos para así producir un modelo de detección del valor de las cargas topológicas. En la búsqueda de un método apropiado para la detección de las cargas topológicas se encontraron un conjunto de dificultades que introducen ambigüedades y errores aleatorios a la hora de producir una correcta caracterización de los mismos. Para la generación experimental de vórtices ópticos se utilizó un Modulador Espacial de Luz, dispositivo que debió ser caracterizado para un correcto funcionamiento.