Optical vortex
آپٹیکل وورٹیکس (جسے فوٹوونک کوانٹم وورٹیکس، سکرو ڈسلوکیشن یا فیز سنگلٹی بھی کہا جاتا ہے) آپٹیکل فیلڈ کا صفر ہے۔ صفر شدت کا نقطہ۔ یہ اصطلاح روشنی کی بیم کو بیان کرنے کے لیے بھی استعمال ہوتی ہے جس میں اتنا صفر ہوتا ہے۔ ان مظاہر کا مطالعہ واحد آپٹکس کے نام سے جانا جاتا ہے۔ وضاحت ایک نظری بھنور میں، روشنی کو اس کے سفر کے محور کے گرد کارکسکرو کی طرح موڑ دیا جاتا ہے۔ موڑنے کی وجہ سے، محور پر روشنی کی لہریں خود ایک دوسرے کو منسوخ کر دیتی ہیں۔ جب کسی چپٹی سطح پر پیش کیا جاتا ہے، تو ایک نظری بھنور روشنی کے دائرے کی طرح نظر آتا ہے، جس کے مرکز میں ایک سیاہ سوراخ ہوتا ہے۔ بھنور کو ایک نمبر دیا جاتا ہے، جسے ٹپوولوجیکل چارج کہا جاتا ہے، اس کے مطابق کہ روشنی ایک طول موج میں کتنے موڑ کرتی ہے۔ نمبر ہمیشہ ایک عدد ہوتا ہے، اور موڑ کی سمت کے لحاظ سے مثبت یا منفی ہو سکتا ہے۔ موڑ کی تعداد جتنی زیادہ ہوگی، روشنی محور کے گرد اتنی ہی تیزی سے گھوم رہی ہے۔ یہ کتائی لہر ٹرین کے ساتھ مداری کونیی مومنٹم لے کر جاتی ہے، اور برقی دو قطبوں پر ٹارک پیدا کرے گی۔ آربیٹل اینگولر مومنٹم زیادہ عام طور پر درپیش اسپن اینگولر مومنٹم سے الگ ہے، جو سرکلر پولرائزیشن پیدا کرتا ہے۔ روشنی کی مداری کونیی رفتار کا مشاہدہ پھنسے ہوئے ذرات کی مداری حرکت میں کیا جا سکتا ہے۔ روشنی کی طیارہ لہر کے ساتھ نظری بھنور میں مداخلت کرنے سے سرپل مرحلے کو متمرکز سرپل کے طور پر ظاہر ہوتا ہے۔ سرپل میں بازوؤں کی تعداد ٹپوولوجیکل چارج کے برابر ہوتی ہے۔ آپٹیکل ورٹیس کا مطالعہ انہیں لیب میں مختلف طریقوں سے بنا کر کیا جاتا ہے۔ انہیں براہ راست لیزر میں تیار کیا جا سکتا ہے، یا لیزر بیم کو متعدد طریقوں میں سے کسی ایک کا استعمال کرتے ہوئے بھنور میں موڑ دیا جا سکتا ہے، جیسے کمپیوٹر سے تیار کردہ ہولوگرام، سرپل فیز تاخیر کے ڈھانچے، یا مواد میں بائرفرینجینٹ ورٹیس۔ ایک نظری انفرادیت ایک نظری میدان کا صفر ہے۔ میدان میں مرحلہ صفر شدت کے ان نکات کے ارد گرد گردش کرتا ہے (جس سے بھنور نام پیدا ہوتا ہے)۔ ورٹیس 2 ڈی فیلڈز میں پوائنٹس اور 3 ڈی فیلڈز میں لائنیں ہیں (کیونکہ ان میں کوڈمینشن دو ہے)۔ بھنور کو گھیرے ہوئے راستے کے ارد گرد میدان کے مرحلے کو مربوط کرنے سے 2 کا ایک عدد ضرب حاصل ہوتا ہے۔ یہ عدد بھنور کے ٹپوولوجیکل چارج یا طاقت کے نام سے جانا جاتا ہے۔ ہائپر جیومیٹرک-گوسیئن موڈ (ہائی جی جی) کے مرکز میں ایک نظری بھنور ہوتا ہے۔ بیم، جس کی شکل پیراکسیل لہر مساوات کا حل ہے (پیراکسیل تخمینہ، اور اصل مساوات کے لیے فورئیر آپٹکس مضمون دیکھیں) جو بیسیل فنکشن پر مشتمل ہے۔ ہائپر جیومیٹرک-گاؤسی بیم میں موجود فوٹونوں کی مداری کونیی رفتار ایم۔ ایم۔ اے۔ ایچ ہوتی ہے۔ عدد m بیم کے مرکز میں بھنور کی طاقت بھی دیتا ہے۔ سرکلر پولرائزڈ روشنی کی اسپن اینگولر مومنٹم کو آربیٹل اینگولر مومنٹم میں تبدیل کیا جا سکتا ہے۔ تخلیق ہائپر جیومیٹرک-گوسیائی طریقے بنانے کے لیے کئی طریقے موجود ہیں، جن میں سرپل فیز پلیٹ، کمپیوٹر سے تیار کردہ ہولوگرام، موڈ کنورژن، کیو پلیٹ، یا اسپاٹیل لائٹ ماڈیولٹر شامل ہیں۔ جامد سرپل فیز پلیٹ یا آئینے کرسٹل یا پلاسٹک کے سرپل کی شکل کے ٹکڑے ہوتے ہیں جو خاص طور پر مطلوبہ ٹپوولوجیکل چارج اور واقعے کی طول موج کے مطابق بنائے جاتے ہیں۔ وہ موثر ہیں، پھر بھی مہنگے ہیں۔ ایڈجسٹ ایبل سرپل فیز پلیٹیں پلاسٹک کے پھٹے ہوئے ٹکڑے کے دو اطراف کے درمیان پچر کو حرکت دے کر بنائی جا سکتی ہیں۔ آف محور سرپل مرحلے کے آئینے کو ہائی پاور اور الٹرا شارٹ لیزرز کو تبدیل کرنے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔ کمپیوٹر سے تیار کردہ ہولوگرام (سی جی ایچ) طیارہ لہر اور لیگوری-گوسی بیم کے درمیان حساب شدہ انٹرفیروگرام ہیں جو فلم میں منتقل ہوتے ہیں۔ سی جی ایچ ایک عام رونچی لکیری ڈفریکشن گریٹنگ سے مشابہت رکھتا ہے، ایک "کانٹا" کی نقل مکانی کو بچاتا ہے۔ ایک انسیڈنٹ لیزر بیم وورٹیسیس کے ساتھ ایک ڈفریکشن پیٹرن بناتا ہے جس کا ٹپوولوجیکل چارج ڈفریکشن آرڈر کے ساتھ بڑھتا ہے۔ صفر آرڈر گوسیئن ہے، اور اس غیر متفرق بیم کے دونوں طرف ورٹیس کی مخالف ہیلیکیٹی ہوتی ہے۔ سی جی ایچ کانٹے میں پرانگوں کی تعداد کا براہ راست تعلق پہلے ڈفریکشن آرڈر وورٹیکس کے ٹپوولوجیکل چارج سے ہے۔ سی جی ایچ کو پہلے آرڈر میں زیادہ شدت کی ہدایت کرنے کے لیے روشن کیا جا سکتا ہے۔ بلیچنگ اسے شدت والی گریٹنگ سے فیز گریٹنگ میں تبدیل کر دیتی ہے، جس سے کارکردگی میں اضافہ ہوتا ہے۔ موڈ کے تبادلے کے لیے ہرمائیٹ-گوسیئن (ایچ جی) طریقوں کی ضرورت ہوتی ہے، جنہیں لیزر کیوٹی کے اندر یا بیرونی طور پر کم درست ذرائع سے آسانی سے بنایا جا سکتا ہے۔ ایسٹیگمیٹک لینس کی ایک جوڑی گوئی فیز شفٹ متعارف کراتی ہے جو ان پٹ ایچ جی پر منحصر ایزموتھل اور ریڈیل انڈیکس کے ساتھ ایل جی بیم بناتی ہے۔ ایک اسپاٹیل لائٹ ماڈیولٹر ایک کمپیوٹر کے زیر کنٹرول الیکٹرانک مائع کرسٹل ڈیوائس ہے جو مختلف ریفریکٹیو انڈیکس کا ہولوگرام بنا کر متحرک ورٹیس، ورٹیس کی صفوں اور دیگر قسم کی بیموں کو تشکیل دے سکتا ہے۔ یہ ہولوگرام ایک کانٹا پیٹرن، ایک سرپل فیز پلیٹ، یا غیر صفر ٹپوولوجیکل چارج کے ساتھ کچھ اسی طرح کا پیٹرن ہو سکتا ہے۔ حصوں سے بنا ہوا بدلنے والا آئینہ متحرک طور پر (چند کلو ہرٹز تک کی شرح کے ساتھ) ورٹیس بنانے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے، چاہے وہ ہائی پاور لیزرز کے ذریعے روشن ہو۔ ق-پلیٹ ایک بائر فرنجینٹ مائع کرسٹل پلیٹ ہے جس میں مقامی نظری محور کی ایزموتھل تقسیم ہوتی ہے، جس کے مرکز کی خرابی پر ٹپوولوجیکل چارج q ہوتا ہے۔ ٹوپوولوجیکل چارج q والی q-پلیٹ ان پٹ بیم پولرائزیشن کی بنیاد پر چارج وورٹیکس پیدا کر سکتی ہے۔ ایس-پلیٹ ایک کیو-پلیٹ سے ملتی جلتی ٹیکنالوجی ہے، جس میں اعلی شدت والے یو وی لیزر کا استعمال کرتے ہوئے سلیکا گلاس میں ایک بائر فرنجینٹ پیٹرن کو مستقل طور پر تراشا جاتا ہے جس میں ایس کے ٹپوولوجیکل چارج کے ساتھ تیز محور میں ایزموتھل تغیر ہوتا ہے۔ کیو-پلیٹ کے برعکس، جو مائع کرسٹل پر بائیس وولٹیج کو ایڈجسٹ کرکے طول موج کو ٹیون کیا جا سکتا ہے، ایس-پلیٹ صرف روشنی کی ایک طول موج کے لیے کام کرتا ہے۔ ریڈیو تعدد پر (غیر نظری) برقی مقناطیسی بھنور پیدا کرنا معمولی بات ہے۔ بس اینٹینا کی ایک طول موج یا زیادہ قطر والی رنگ کو اس طرح ترتیب دیں کہ براڈکاسٹ اینٹینا کی فیز شفٹ رنگ کے ارد گرد 2 کے لازمی ضرب میں مختلف ہو۔ نینو فوٹونک میٹا سرفیس آپٹیکل ورٹیس بنانے کے لیے ٹرانسورس فیز ماڈیولیشن کو فعال کر سکتے ہیں۔ بھنور کی بیم یا تو خالی جگہ میں یا مربوط فوٹوونک چپ پر تیار کی جا سکتی ہیں۔ ایک نظری بھنور، بنیادی طور پر ایک مرحلے کی ساخت ہونے کی وجہ سے، صرف اس کی شدت کے خاکے سے پتہ نہیں لگایا جا سکتا۔ مزید برآں، چونکہ ایک ہی ترتیب کی بھنور بیموں کی شدت کے پروفائلز تقریبا ایک جیسے ہوتے ہیں، اس لیے انہیں صرف ان کی شدت کی تقسیم سے نمایاں نہیں کیا جا سکتا۔ نتیجے کے طور پر، انٹرفیرومیٹرک تکنیکوں کی ایک وسیع رینج استعمال کی جاتی ہے۔ تکنیکوں میں سب سے آسان یہ ہے کہ جھکا ہوا طیارہ لہر کے ساتھ بھنور بیم میں مداخلت کی جائے، جس کے نتیجے میں کانٹا نما انٹرفیروگرام ہوتا ہے۔ پیٹرن میں کانٹوں کی تعداد اور ان کے متعلقہ رخ کی گنتی کرکے، بھنور کی ترتیب اور اس کے متعلقہ نشان کا درست اندازہ لگایا جا سکتا ہے۔ جھکا ہوا لینس سے گزرتے ہوئے بھنور بیم کو اس کی خصوصیت والے لوب ڈھانچے میں تبدیل کیا جا سکتا ہے۔ یہ بھنور میں مختلف مرحلے کے نکات کے درمیان خود مداخلت کے نتیجے میں ہوتا ہے۔ ترتیب کے ایک بھنور بیم کو لوبوں میں تقسیم کیا جائے گا، تقریبا ایک جھکا ہوا کنویکس لینس کے فوکس کی گہرائی کے ارد گرد۔ مزید برآں، لوبوں کی واقفیت (دائیں اور بائیں اخترن)، مثبت اور منفی مداری کونیی رفتار کے احکامات کا تعین کرتی ہے۔ ورٹیکس بیم ایک لوب ڈھانچہ پیدا کرتا ہے جب مخالف علامت کے ورٹیکس کے ساتھ مداخلت کی جاتی ہے۔ تاہم یہ تکنیک علامات کی خصوصیت کے لیے کوئی طریقہ کار پیش نہیں کرتی ہے۔ اس تکنیک کو مک-زینڈر انٹرفیرومیٹر کے راستوں میں سے کسی ایک میں کبوتر کے چشمے کو رکھ کر استعمال کیا جا سکتا ہے، جسے بھنور پروفائل کے ساتھ پمپ کیا جاتا ہے۔ ایپلی کیشنز مواصلات اور امیجنگ کے متنوع شعبوں میں آپٹیکل ورٹیس کے ایپلی کیشنز کی وسیع اقسام ہیں۔ ماورائے شمسی سیاروں کا حال ہی میں براہ راست پتہ چلا ہے، کیونکہ ان کا بنیادی ستارہ بہت روشن ہے۔ دوسرے تکنیکوں کے ساتھ مشاہدہ کرنے کے لیے ان کے والدین کے مقابلے میں بہت کم برعکس تناسب والے سیاروں کا براہ راست مشاہدہ کرنے کے لیے آپٹیکل وورٹیکس کرونگراف بنانے میں پیش رفت ہوئی ہے۔ مائیکرو میٹر سائز کے ذرات جیسے خلیوں کو جوڑنے کے لیے آپٹیکل ٹیویزر میں آپٹیکل ورٹیس کا استعمال کیا جاتا ہے۔ اس طرح کے ذرات کو او اے ایم کا استعمال کرتے ہوئے بیم کے محور کے گرد مدار میں گھمایا جا سکتا ہے۔ مائیکرو موٹرز بھی آپٹیکل ورٹیکس ٹوئیزرز کا استعمال کرتے ہوئے بنائے گئے ہیں۔ آپٹیکل ورٹیس مواصلاتی بینڈوتھ کو نمایاں طور پر بہتر بنا سکتے ہیں۔ مثال کے طور پر، مڑے ہوئے ریڈیو بیم بڑی تعداد میں عمودی حالتوں کا استعمال کرکے ریڈیو سپیکٹرم کی کارکردگی میں اضافہ کر سکتے ہیں۔ فیز فرنٹ 'ٹوسٹنگ' کی مقدار مداری کونیی مومنٹم اسٹیٹ نمبر کی نشاندہی کرتی ہے، اور مختلف مداری کونیی مومنٹم والی بیم آرتھوگنل ہوتی ہیں۔ اس طرح کی آربیٹل اینگولر مومنٹم پر مبنی ملٹی پلیکسنگ ممکنہ طور پر نظام کی صلاحیت اور ملی میٹر ویو وائرلیس مواصلات کی سپیکٹرم کی کارکردگی میں اضافہ کر سکتی ہے۔ اسی طرح، آپٹیکل ڈومین میں آربیٹل اینگولر مومنٹم ملٹی پلیکسنگ کے ابتدائی تجرباتی نتائج نے مختصر فاصلے پر نتائج دکھائے ہیں، لیکن طویل فاصلے کے مظاہر اب بھی آنے والے ہیں۔ ان مظاہروں کو جس اہم چیلنج کا سامنا کرنا پڑا ہے وہ یہ ہے کہ روایتی نظری ریشے جیسے جیسے پھیلتے جاتے ہیں ورٹیس کی گھماؤ کونیی رفتار کو تبدیل کرتے ہیں، اور جھکے یا زور دینے پر مداری کونیی رفتار کو تبدیل کر سکتے ہیں۔ اب تک خاص نظری ریشوں میں 50 میٹر تک کے مستحکم پھیلاؤ کا مظاہرہ کیا گیا ہے۔ 143 کلومیٹر کے فاصلے پر روشنی کے مداری کونیی مومنٹم طریقوں کی فری اسپیس ٹرانسمیشن کو اچھی مضبوطی کے ساتھ معلومات کی انکوڈنگ کو سپورٹ کرنے کے قابل ہونے کا مظاہرہ کیا گیا ہے۔ موجودہ کمپیوٹر الیکٹرانکس کا استعمال کرتے ہیں جن کی دو ریاستیں ہیں، صفر اور ایک۔ کوانٹم کمپیوٹنگ معلومات کو انکوڈ کرنے اور ذخیرہ کرنے کے لیے روشنی کا استعمال کر سکتی ہے۔ نظریاتی طور پر آپٹیکل وورٹیسز میں خالی جگہ میں لامحدود تعداد میں ریاستیں ہوتی ہیں، کیونکہ ٹوپوولوجیکل چارج کی کوئی حد نہیں ہے۔ یہ ڈیٹا میں تیزی سے ہیرا پھیری کی اجازت دے سکتا ہے۔ کرپٹوگرافی کمیونٹی اوپر زیر بحث اعلی بینڈوڈتھ مواصلات کے وعدے کے لیے آپٹیکل ورٹیسز میں بھی دلچسپی رکھتی ہے۔ آپٹیکل مائکروسکوپی میں، آپٹیکل ورٹیس کو اسٹیمولیٹڈ ایمیشن ڈپلیشن (ایس ٹی ای ڈی) مائکروسکوپی نامی تکنیک کا استعمال کرتے ہوئے عام تفریق کی حدود سے باہر مقامی ریزولوشن حاصل کرنے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔ یہ تکنیک بیم کے مرکز میں انفرادیت پر کم شدت کا فائدہ اٹھاتی ہے تاکہ مطلوبہ ہدف کے علاقے میں فلوروفورس کو ختم کیے بغیر اعلی شدت والے آپٹیکل وورٹیکس بیم کے ساتھ مطلوبہ علاقے کے ارد گرد فلوروفورس کو ختم کیا جا سکے۔ لکیری یا غیر لکیری تعامل کے نظام پر کوانٹم ورٹیس کی حرکیات کا مطالعہ کرنے کے لیے آپٹیکل ورٹیس کو براہ راست (گونج کے ساتھ) روشنی اور مادے کے پولرٹون سیالوں میں منتقل کیا جا سکتا ہے۔ آپٹیکل ورٹیس کی شناخت الجھے ہوئے فوٹون جوڑوں کے غیر مقامی ارتباط میں کی جا سکتی ہے۔ روشنی کے آربیٹل اینگولر مومنٹم کے حوالہ جات بیرونی لنکس ویڈیو آف پروپیگنڈیشن سیمولیشن آف ورٹیکس ڈفریکٹیو آپٹیکل عنصر کے قریب فیلڈ سے دور فیلڈ تک ہولو/یا آپٹیکل ورٹیسیس اور آپٹیکل ٹوئیزرز کے ذریعے گلاسگو یونیورسٹی میں سنگلر آپٹکس ماسٹر لسٹ گروور سوارٹز لینڈر جونیئر، یونیورسٹی آف ایریزونا، ٹکسن آپٹیکل ورٹیکس کرونگراف، گریگوری فو، اور دیگر، یونیورسٹی آف ایریزونا، ٹکسن آپٹیکل ٹوئیزرز، ڈیوڈ گریئر، NYU سلیکٹڈ پبلکیشنز آن آپٹیکل ورٹیسیس ایٹ آسٹریلین نیشنل یونیورسٹی فزیکل آپٹکس اوربیٹل اینگولر مومنٹم آف ویوز ورٹیسیس