Conversion d'un faisceau laser gaussien en un vortex optique dans un plasma magnétisé. Un faisceau laser gaussien d'entrée est envoyé à travers un plasma, qui est médié par un champ magnétique symétrique axial généré par des bobines anti-Helmholtz. Voyager à travers le plasma tord le front d'onde du faisceau laser. Les nuances rouges et bleues claires à droite montrent les isosurfaces du front d'onde dans lesquelles les champs électriques sont parallèles et perpendiculaires aux directions azimutales, respectivement. Les petits ronds verts montrent la polarisation. Les coches vertes indiquent les directions instantanées des champs électriques. Le cylindre vert est le plasma et les lignes bleues illustrent les lignes de champ magnétique. Crédit :Kenan Qu, université de Princeton
Pour obtenir les images à très haute résolution indispensables à l'étude de nouveaux matériaux, microbe, et plus, les scientifiques construisent souvent des microscopes basés sur des tourbillons optiques. La formation de ces minuscules tornades de lumière se fait à l'aide de quartz ou de cristaux liquides. Cependant, l'utilisation de matériaux conventionnels pour les microscopes a ses limites. Au fur et à mesure que la puissance du vortex optique augmente, le matériau brûle littéralement et est détruit. Pour produire les tourbillons optiques, les chercheurs avaient besoin d'une meilleure approche. Ils ont conçu un moyen de créer des tourbillons optiques avec 1000 fois plus de puissance que les méthodes précédentes. Leur conception utilise de solides, champs magnétiques non uniformes pour contrôler les plasmas, ou des gaz ionisés, pour créer les tourbillons.
La nouvelle approche, connu sous le nom de plaque q plasma, va révolutionner les sources de génération de tourbillons optiques. Les travaux auront un impact sur un large éventail d'applications. Par exemple, la nouvelle approche pourrait conduire à la microscopie à super-résolution. Il pourrait augmenter la bande passante des communications sans fil à fibres optiques et à ondes millimétriques. Aussi, la nouvelle approche pourrait bénéficier à la communication quantique avec un cryptage incassable.
La lumière est une onde progressive de champs électriques et magnétiques. Nous savons tous que lorsqu'une pierre est jetée dans un étang, les fronts d'onde forment des cercles concentriques. Pour un faisceau laser de lumière se déplaçant uniformément dans une direction, les fronts d'onde forment des nappes parallèles avec un profil d'intensité à pic central. Il existe un autre type spécial de faisceau lumineux, appelé vortex optique, dont les fronts d'onde se tordent et tournent lorsqu'il traverse l'espace. Un vortex optique a des fronts d'onde rotatifs et un profil d'intensité creux. Ce vortex peut piéger, tourner, et "contrôler" les particules ou gouttelettes microscopiques, fonctionnant ainsi comme une "clé optique" qui améliore la flexibilité de contrôle des "pinces optiques" qui peuvent piéger les particules. Le développement de cette méthode de refroidissement et de piégeage des particules a remporté le prix Nobel de physique 1997. Microscopes super-résolution, avec des résolutions inférieures même à la limite de diffraction de la lumière, peut également être construit à l'aide de vortex optiques (voir Prix Nobel de chimie 2014).
Des tourbillons optiques de faible intensité peuvent être formés à l'aide de matériaux biréfringents, comme le quartz ou les cristaux liquides, qui divisent la lumière en « polarisations » parallèles et perpendiculaires. Cependant, l'utilisation de supports matériels conventionnels pour les microscopes a ses limites. Au fur et à mesure que l'intensité (puissance) du vortex optique augmente, le matériau brûle littéralement. Pour produire des tourbillons optiques de haute puissance, une équipe a utilisé un milieu plasma. La tâche de créer la structure requise dans le plasma est difficile car le plasma est intrinsèquement non structuré. L'approche de l'équipe contourne la difficulté de créer une structure en introduisant une anisotropie à travers un champ magnétique. L'équipe a déterminé qu'un faisceau laser sans torsion, après propagation à travers un plasma magnétisé, pourrait être converti en un vortex optique. Les plasmas magnétisés peuvent manipuler le front d'onde laser et convertir directement un faisceau gaussien de haute intensité, dire à un térahertz, en une poutre torsadée à haute efficacité.
