Optical vortex
एक ऑप्टिकल भंवर (जिसे फोटोनिक क्वांटम भंवर, स्क्रू विस्थापन या चरण विलक्षणता के रूप में भी जाना जाता है) एक ऑप्टिकल क्षेत्र का शून्य है; शून्य तीव्रता का एक बिंदु। इस शब्द का उपयोग प्रकाश की एक किरण का वर्णन करने के लिए भी किया जाता है जिसमें इतना शून्य होता है। इन घटनाओं के अध्ययन को एकवचन प्रकाशिकी के रूप में जाना जाता है। व्याख्या एक प्रकाशिक भंवर में, प्रकाश अपनी यात्रा की धुरी के चारों ओर एक कॉर्कस्क्रू की तरह मुड़ जाता है। मुड़ने के कारण, अक्ष पर प्रकाश तरंगें एक दूसरे को रद्द कर देती हैं। जब एक सपाट सतह पर प्रक्षेपित किया जाता है, तो एक ऑप्टिकल भंवर प्रकाश के वलय की तरह दिखता है, जिसके केंद्र में एक काला छेद होता है। भंवर को एक संख्या दी जाती है, जिसे टोपोलॉजिकल चार्ज कहा जाता है, जो इस बात पर निर्भर करता है कि प्रकाश एक तरंग दैर्ध्य में कितने मोड़ करता है। संख्या हमेशा एक पूर्णांक होती है, और मोड़ की दिशा के आधार पर सकारात्मक या नकारात्मक हो सकती है। मोड़ की संख्या जितनी अधिक होगी, प्रकाश अक्ष के चारों ओर उतनी ही तेजी से घूम रहा होगा। यह कताई तरंग ट्रेन के साथ कक्षीय कोणीय गति को वहन करती है, और एक विद्युत द्विध्रुव पर टोक़ को प्रेरित करेगी। कक्षीय कोणीय संवेग अधिक सामान्य रूप से सामना किए जाने वाले स्पिन कोणीय संवेग से अलग है, जो गोलाकार ध्रुवीकरण पैदा करता है। प्रकाश की कक्षीय कोणीय गति को फंसे हुए कणों की परिक्रमा गति में देखा जा सकता है। प्रकाश की एक समतल तरंग के साथ एक ऑप्टिकल भंवर को हस्तक्षेप करने से सर्पिल चरण को संकेंद्रित सर्पिल के रूप में प्रकट होता है। सर्पिल में भुजाओं की संख्या स्थलाकृतिक आवेश के बराबर होती है। ऑप्टिकल वर्टिस का अध्ययन प्रयोगशाला में विभिन्न तरीकों से किया जाता है। उन्हें सीधे लेजर में उत्पन्न किया जा सकता है, या एक लेजर बीम को कई तरीकों में से किसी का उपयोग करके भंवर में घुमाया जा सकता है, जैसे कि कंप्यूटर-जनित होलोग्राम, सर्पिल-चरण विलंब संरचनाएं, या सामग्री में बाइरफ्रिंजेंट भंवर। एक ऑप्टिकल विलक्षणता एक ऑप्टिकल क्षेत्र का शून्य है। क्षेत्र में चरण शून्य तीव्रता के इन बिंदुओं के आसपास घूमता है (भंवर नाम को जन्म देता है)। भंवर 2डी क्षेत्रों में बिंदु और 3डी क्षेत्रों में रेखाएँ हैं (क्योंकि उनमें कोडिमेंशन दो है)। एक भंवर को घेरने वाले पथ के चारों ओर क्षेत्र के चरण को एकीकृत करने से 2 का एक पूर्णांक गुणक प्राप्त होता है। इस पूर्णांक को भंवर के स्थलाकृतिक आवेश या शक्ति के रूप में जाना जाता है। एक हाइपरजियोमेट्रिक-गौसियन मोड (एच. आई. जी. जी.) के केंद्र में एक ऑप्टिकल भंवर होता है। बीम, जिसका रूप पैराक्सियल तरंग समीकरण का एक समाधान है (पैराक्सियल सन्निकटन देखें, और वास्तविक समीकरण के लिए फूरियर प्रकाशिकी लेख देखें) जिसमें बेसल फलन शामिल है। एक हाइपरजियोमेट्रिक-गॉसियन बीम में फोटॉनों में एम. ए. जी. ए. की कक्षीय कोणीय गति होती है। पूर्णांक m किरण के केंद्र में भंवर की ताकत भी देता है। वृत्ताकार ध्रुवीकृत प्रकाश के स्पिन कोणीय संवेग को कक्षीय कोणीय संवेग में परिवर्तित किया जा सकता है। हाइपरजियोमेट्रिक-गौसियन मोड बनाने के लिए कई तरीके मौजूद हैं, जिनमें एक सर्पिल फेज प्लेट, कंप्यूटर-जनरेटेड होलोग्राम, मोड रूपांतरण, एक क्यू-प्लेट, या एक स्थानिक प्रकाश मॉड्यूलेटर शामिल हैं। स्थैतिक सर्पिल चरण प्लेट (ओं) या दर्पण (ओं) क्रिस्टल या प्लास्टिक के सर्पिल आकार के टुकड़े होते हैं जो विशेष रूप से वांछित टोपोलॉजिकल चार्ज और आपतित तरंग दैर्ध्य के लिए इंजीनियर होते हैं। वे कुशल हैं, फिर भी महंगे हैं। प्लास्टिक के एक टूटे हुए टुकड़े के दो किनारों के बीच एक फाड़ को घुमाकर समायोज्य सर्पिल चरण प्लेटें बनाई जा सकती हैं। ऑफ-एक्सिस सर्पिल चरण दर्पणों का उपयोग उच्च-शक्ति और अल्ट्रा-शॉर्ट लेजर को मोड में बदलने के लिए किया जा सकता है। कंप्यूटर-जनरेटेड होलोग्राम (सी. जी. एच.) एक समतल तरंग और एक लैगुएरे-गॉसियन बीम के बीच गणना किए गए इंटरफेरोग्राम हैं जिन्हें फिल्म में स्थानांतरित किया जाता है। सी. जी. एच. एक सामान्य रोंची रैखिक विवर्तन ग्रेटिंग जैसा दिखता है, जो एक "कांटा" विस्थापन को बचाता है। एक आपतित लेजर किरण भंवरों के साथ एक विवर्तन पैटर्न बनाती है जिसका स्थलाकृतिक आवेश विवर्तन क्रम के साथ बढ़ता है। शून्य क्रम गौसियन है, और इस अविक्षेपित किरण के दोनों ओर भंवरों में विपरीत हेलिसिटी होती है। सी. जी. एच. कांटे में प्रोंग की संख्या सीधे पहले विवर्तन क्रम भंवर के टोपोलॉजिकल चार्ज से संबंधित है। सी. जी. एच. को पहले क्रम में अधिक तीव्रता निर्देशित करने के लिए प्रज्ज्वलित किया जा सकता है। ब्लीचिंग इसे इंटेंसिटी ग्रेटिंग से फेज ग्रेटिंग में बदल देता है, जिससे दक्षता बढ़ती है। मोड रूपांतरण के लिए हर्माइट-गौसियन (एच. जी.) मोड की आवश्यकता होती है, जिसे आसानी से लेजर गुहा के अंदर या कम सटीक तरीकों से बाहरी रूप से बनाया जा सकता है। दृष्टिवैषम्य लेंसों की एक जोड़ी एक गौय फेज शिफ्ट पेश करती है जो इनपुट एचजी पर निर्भर अजीमुथल और रेडियल सूचकांकों के साथ एक एलजी बीम बनाती है। एक स्थानिक प्रकाश मॉड्यूलेटर एक कंप्यूटर-नियंत्रित इलेक्ट्रॉनिक तरल-क्रिस्टल उपकरण है जो विभिन्न अपवर्तक सूचकांकों का एक होलोग्राम बनाकर गतिशील भंवर, भंवरों की सरणी और अन्य प्रकार की किरणें बना सकता है। यह होलोग्राम एक कांटा पैटर्न, एक सर्पिल चरण प्लेट, या गैर-शून्य टोपोलॉजिकल चार्ज के साथ कुछ समान पैटर्न हो सकता है। खंडों से बने विकृत दर्पण का उपयोग गतिशील रूप से (कुछ किलोहर्ट्ज़ तक की दर के साथ) भंवर बनाने के लिए किया जा सकता है, भले ही उच्च शक्ति वाले लेजर द्वारा प्रकाशित किया गया हो। एक क्यू-प्लेट स्थानीय ऑप्टिकल अक्ष के अजीमुथल वितरण के साथ एक द्विभाजक तरल क्रिस्टल प्लेट है, जिसके केंद्र दोष पर एक टोपोलॉजिकल चार्ज q होता है। टोपोलॉजिकल चार्ज q के साथ q-प्लेट इनपुट बीम ध्रुवीकरण के आधार पर एक चार्ज भंवर उत्पन्न कर सकती है। एक एस-प्लेट एक क्यू-प्लेट के समान तकनीक है, जिसमें एक उच्च-तीव्रता यूवी लेजर का उपयोग करके सिलिका ग्लास में एक बाइरफ्रिंजेंट पैटर्न को स्थायी रूप से तराशने के लिए किया जाता है, जिसमें एस के टोपोलॉजिकल चार्ज के साथ तेज अक्ष में अजीमुथल भिन्नता होती है। एक क्यू-प्लेट के विपरीत, जो तरल क्रिस्टल पर पूर्वाग्रह वोल्टेज को समायोजित करके तरंग दैर्ध्य ट्यून किया जा सकता है, एक एस-प्लेट केवल प्रकाश की एक तरंग दैर्ध्य के लिए काम करता है। रेडियो आवृत्तियों पर एक (गैर ऑप्टिकल) विद्युत चुम्बकीय भंवर का उत्पादन करना तुच्छ है। बस एंटेना की एक तरंग दैर्ध्य या अधिक व्यास वाली रिंग को इस तरह व्यवस्थित करें कि प्रसारण एंटेना का चरण बदलाव रिंग के चारों ओर 2 का एक अभिन्न गुणक भिन्न हो। नैनोफ़ोटोनिक मेटासर्फेस ऑप्टिकल वोर्टिस बनाने के लिए अनुप्रस्थ चरण मॉड्यूलेशन को सक्षम कर सकते हैं। भंवर किरणों को खाली स्थान या एक एकीकृत फोटोनिक चिप पर उत्पन्न किया जा सकता है। एक ऑप्टिकल भंवर, मूल रूप से एक चरण संरचना होने के कारण, अकेले इसकी तीव्रता प्रोफ़ाइल से पता नहीं लगाया जा सकता है। इसके अलावा, एक ही क्रम के भंवर किरणों में लगभग समान तीव्रता प्रोफाइल होते हैं, इसलिए उन्हें केवल उनके तीव्रता वितरण से चिह्नित नहीं किया जा सकता है। नतीजतन, इंटरफेरोमेट्रिक तकनीकों की एक विस्तृत श्रृंखला का उपयोग किया जाता है। तकनीकों में सबसे सरल एक झुके हुए समतल तरंग के साथ एक भंवर किरण को बाधित करना है, जिसके परिणामस्वरूप एक कांटा जैसा इंटरफेरोग्राम होता है। पैटर्न में कांटे की संख्या और उनके सापेक्ष अभिविन्यास की गिनती करके, भंवर क्रम और उसके संबंधित संकेत का सटीक अनुमान लगाया जा सकता है। एक भंवर किरण को एक झुके हुए लेंस से गुजरते समय इसकी विशिष्ट लोब संरचना में विकृत किया जा सकता है। यह एक भंवर में विभिन्न चरण बिंदुओं के बीच एक आत्म-हस्तक्षेप के परिणामस्वरूप होता है। क्रम की एक भंवर किरण को खंडों में विभाजित किया जाएगा, मोटे तौर पर एक झुके हुए उत्तल लेंस के फोकस की गहराई के आसपास। इसके अलावा, खंडों (दाएं और बाएं विकर्ण) का अभिविन्यास, सकारात्मक और नकारात्मक कक्षीय कोणीय संवेग आदेशों को निर्धारित करता है। एक भंवर किरण एक लोब संरचना उत्पन्न करती है जब विपरीत संकेत के भंवर के साथ हस्तक्षेप किया जाता है। हालाँकि, यह तकनीक संकेतों को चिह्नित करने के लिए कोई तंत्र प्रदान नहीं करती है। इस तकनीक का उपयोग मैक-ज़ेन्डर इंटरफेरोमीटर के पथ में से एक में एक डव प्रिज्म रखकर किया जा सकता है, जिसे एक भंवर प्रोफ़ाइल के साथ पंप किया जाता है। अनुप्रयोग संचार और इमेजिंग के विभिन्न क्षेत्रों में ऑप्टिकल वार्टिस के अनुप्रयोगों की एक विस्तृत विविधता है। एक्स्ट्रासोलर ग्रहों का हाल ही में सीधे पता चला है, क्योंकि उनका मूल तारा इतना चमकीला है। अन्य तकनीकों के साथ देखे जाने के लिए अपने माता-पिता से बहुत कम विपरीत अनुपात वाले ग्रहों का सीधे निरीक्षण करने के लिए एक ऑप्टिकल भंवर कोरोनग्राफ बनाने में प्रगति हुई है। ऑप्टिकल वार्टिस का उपयोग ऑप्टिकल चिमटी में कोशिकाओं जैसे माइक्रोमीटर आकार के कणों में हेरफेर करने के लिए किया जाता है। ऐसे कणों को ओ. ए. एम. का उपयोग करके किरण की धुरी के चारों ओर कक्षाओं में घुमाया जा सकता है। ऑप्टिकल वोर्टेक्स चिमटी का उपयोग करके माइक्रो-मोटर भी बनाए गए हैं। ऑप्टिकल वार्टिस संचार बैंडविड्थ में काफी सुधार कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, घुमावदार रेडियो किरणें बड़ी संख्या में ऊर्ध्वाधर अवस्थाओं का उपयोग करके रेडियो वर्णक्रमीय दक्षता में वृद्धि कर सकती हैं। फेज फ्रंट 'ट्विस्टिंग' की मात्रा कक्षीय कोणीय संवेग अवस्था संख्या को इंगित करती है, और विभिन्न कक्षीय कोणीय संवेग वाली किरणें ऑर्थोगोनल होती हैं। इस तरह की कक्षीय कोणीय संवेग आधारित बहुगुणन प्रणाली की क्षमता और मिलीमीटर-तरंग वायरलेस संचार की वर्णक्रमीय दक्षता को संभावित रूप से बढ़ा सकती है। इसी तरह, ऑप्टिकल डोमेन में ऑर्बिटल एंगुलर मोमेंटम मल्टीप्लेक्सिंग के लिए प्रारंभिक प्रयोगात्मक परिणामों ने कम दूरी पर परिणाम दिखाए हैं, लेकिन लंबी दूरी के प्रदर्शन अभी भी आने वाले हैं। इन प्रदर्शनों ने जिस मुख्य चुनौती का सामना किया है, वह यह है कि पारंपरिक ऑप्टिकल फाइबर जैसे-जैसे फैलते हैं, वोर्टिस की स्पिन कोणीय गति को बदल देते हैं, और झुकने या तनावग्रस्त होने पर कक्षीय कोणीय गति को बदल सकते हैं। विशेष ऑप्टिकल फाइबर में अब तक 50 मीटर तक के स्थिर प्रसार का प्रदर्शन किया गया है। 143 कि. मी. की दूरी पर प्रकाश के कक्षीय कोणीय संवेग मोड के मुक्त-अंतरिक्ष संचरण को अच्छी मजबूती के साथ सूचना के एन्कोडिंग का समर्थन करने में सक्षम होने के लिए प्रदर्शित किया गया है। वर्तमान कंप्यूटर उन इलेक्ट्रॉनिक्स का उपयोग करते हैं जिनकी दो अवस्थाएँ होती हैं, शून्य और एक। क्वांटम कंप्यूटिंग जानकारी को कूटबद्ध और संग्रहीत करने के लिए प्रकाश का उपयोग कर सकती है। सैद्धांतिक रूप से मुक्त स्थान में ऑप्टिकल भंवरों की अनंत संख्या में अवस्थाएँ होती हैं, क्योंकि स्थलाकृतिक आवेश की कोई सीमा नहीं होती है। यह तेजी से डेटा हेरफेर की अनुमति दे सकता है। क्रिप्टोग्राफी समुदाय ऊपर चर्चा किए गए उच्च बैंडविड्थ संचार के वादे के लिए ऑप्टिकल वार्टिस में भी रुचि रखता है। ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी में, ऑप्टिकल वार्टिस का उपयोग स्टिमुलेटेड एमिशन डिप्लीशन (एसटीईडी) माइक्रोस्कोपी नामक तकनीक का उपयोग करके सामान्य विवर्तन सीमाओं से परे स्थानिक संकल्प प्राप्त करने के लिए किया जा सकता है। यह तकनीक वांछित लक्ष्य क्षेत्र में फ्लोरोफोर्स को कम किए बिना उच्च-तीव्रता वाले ऑप्टिकल भंवर बीम के साथ वांछित क्षेत्र के आसपास फ्लोरोफोर्स को कम करने के लिए बीम के केंद्र में विलक्षणता पर कम तीव्रता का लाभ उठाती है। रैखिक या अरैखिक अंतःक्रिया व्यवस्थाओं पर क्वांटम भंवरों की गतिशीलता का अध्ययन करने के लिए प्रकाश और पदार्थ के ध्रुवीय द्रवों में ऑप्टिकल भंवरों को सीधे (प्रतिध्वनित रूप से) स्थानांतरित किया जा सकता है। उलझे हुए फोटॉन जोड़े के गैर-स्थानीय सहसंबंधों में ऑप्टिकल भंवरों की पहचान की जा सकती है। प्रकाश संदर्भों की कक्षीय कोणीय गति भी देखें बाहरी लिंक ग्लोवर स्वार्टज़लैंडर जूनियर, एरिज़ोना विश्वविद्यालय, टक्सन ऑप्टिकल वोर्टेक्स कोरोनोग्राफ, ग्रेगरी फू, और अन्य, एरिज़ोना विश्वविद्यालय, टक्सन ऑप्टिकल चिमटी, डेविड ग्रियर, एन. वाई. यू. द्वारा एकल प्रकाशिकी मास्टर सूची ग्रोवर स्वार्टज़लैंडर जूनियर, एरिज़ोना विश्वविद्यालय, टक्सन ऑप्टिकल वोर्टेक्स कोरोनोग्राफ, ग्रेगरी फू, और अन्य, एरिज़ोना विश्वविद्यालय, टक्सन ऑप्टिकल चिमटी, डेविड ग्रियर, एन. वाई. यू., ऑस्ट्रेलियाई राष्ट्रीय विश्वविद्यालय में ऑप्टिकल वर्मटिस पर चयनित प्रकाशन, भौतिक प्रकाशिकी तरंगों की कक्षीय कोणीय गति द्वारा होलो/या ग्लासगो विश्वविद्यालय में ऑप्टिकल वर्मिस और ऑप्टिकल चिमटी द्वारा निकट क्षेत्र से दूर क्षेत्र तक वोर्टेक्स विवर्तनशील ऑप्टिकल तत्व के प्रसार अनुकरण का वीडियो।