Dans de nombreuses situations, il est juste de dire que la lumière se déplace en ligne droite sans qu'il se passe grand-chose en cours de route. Mais la lumière peut aussi cacher des schémas et des comportements complexes que seul un observateur attentif peut découvrir.

C'est possible parce que la lumière se comporte comme une onde, avec des propriétés qui jouent un rôle dans plusieurs phénomènes intéressants. Une de ces propriétés est la phase, qui mesure où vous êtes sur une vague ondulante - si vous êtes assis à un sommet, un creux ou quelque part entre les deux. Lorsque deux ondes lumineuses (par ailleurs identiques) se rencontrent et sont déphasées, ils peuvent interférer les uns avec les autres, combiner pour créer des motifs complexes. La phase fait partie intégrante de la façon dont les ondes lumineuses interagissent les unes avec les autres et de la façon dont l'énergie circule dans un faisceau ou une impulsion de lumière.

Des chercheurs de l'Université du Maryland, dirigé par le professeur de physique de l'UMD Howard Milchberg, ont découvert de nouvelles façons dont la phase de la lumière peut former des spires optiques, des modèles connus sous le nom de vortex optiques spatio-temporels (STOV). Dans un article publié dans la revue Optique le 18 décembre, 2019, les chercheurs ont capturé la première vue de ces vortex de phase situés dans l'espace et le temps, développer une nouvelle méthode pour observer des impulsions lumineuses ultra-rapides.

Chaque STOV est une impulsion de lumière avec un schéma particulier d'intensité - une mesure de l'endroit où l'énergie est concentrée - et de phase. Dans les STOV préparés par Milchberg et ses collaborateurs, l'intensité forme une boucle dans l'espace et le temps que les chercheurs décrivent comme un beignet volant en premier :si vous pouviez voir le pouls voler vers vous, vous ne verriez que le bord du beignet et non le trou. (Voir l'image la plus à gauche ci-dessous, où les temps négatifs sont antérieurs.) Dans la même région de l'espace et du temps, la phase de l'impulsion lumineuse forme un motif tourbillonnant, créant un vortex centré sur le trou du beignet (image la plus à droite).

Milchberg et ses collègues ont découvert les STOV en 2016 lorsqu'ils ont découvert des structures semblables à des "anneaux de fumée optique" se formant autour de faisceaux laser intenses. Ces anneaux ont une phase qui varie autour de leur bord, comme les courants d'air tourbillonnant autour d'un anneau de fumée. Les tourbillons créés dans la nouvelle étude sont une structure similaire mais plus simple :si vous pensez à l'anneau de fumée d'origine comme un bracelet fait de perles, les nouveaux STOV sont comme les perles individuelles.

Les travaux antérieurs ont montré que les STOV fournissent un cadre élégant pour comprendre un effet laser à haute intensité bien connu :l'autoguidage. A haute intensité, cet effet se produit lorsqu'une impulsion laser, interagir avec le médium qu'il traverse, se comprime en un faisceau serré. Les chercheurs ont montré que dans ce processus, Les STOV sont chargés de diriger le flux d'énergie et de remodeler le laser, poussant l'énergie ensemble à l'avant et à l'écart à l'arrière.

Cette découverte initiale a examiné comment ces anneaux se sont formés autour d'un faisceau de lumière en deux dimensions. Mais les chercheurs n'ont pas pu explorer le fonctionnement interne des tourbillons car chaque impulsion est trop courte et trop rapide pour que les techniques précédemment établies puissent être capturées. Chaque impulsion passe en quelques femtosecondes, soit environ 100 000 milliards de fois plus vite qu'un clignement d'œil.

"Ce ne sont pas des impulsions microsecondes ou même nanosecondes que vous utilisez simplement l'électronique pour capturer, " dit Sina Zahedpour, co-auteur de l'article et associé postdoctoral en physique de l'UMD. "Ce sont des impulsions extrêmement courtes que vous devez utiliser des astuces optiques pour imager."

Pour capturer à la fois l'intensité et la phase des nouveaux STOV, les chercheurs devaient préparer trois impulsions supplémentaires. La première impulsion a rencontré le STOV à l'intérieur d'une fenêtre en verre mince, produire un motif d'interférence codé avec l'intensité et la phase STOV. Ce modèle a été lu en utilisant deux impulsions plus longues, produire des données comme celle montrée dans l'image ci-dessus.

"Les outils que nous avions auparavant ne regardaient que l'amplitude de la lumière, " dit Scott Hancock, un étudiant diplômé en physique de l'UMD et premier auteur de l'article. "Maintenant, nous pouvons obtenir une image complète avec la phase, et c'est la preuve que le principe fonctionne pour l'étude des phénomènes ultrarapides."

Les STOV peuvent avoir une résilience utile pour des applications pratiques car leur torsion, la phase en forme de vis les rend robustes contre les petits obstacles. Par exemple, comme un STOV voyage dans les airs, certaines parties du pouls peuvent être bloquées par des gouttelettes d'eau et d'autres petites particules. Mais alors qu'ils continuent, les STOV ont tendance à remplir les petites sections qui ont été assommées, réparer les dommages mineurs d'une manière qui pourrait aider à préserver toute information enregistrée dans le pouls. Aussi, parce qu'une impulsion STOV est si courte et rapide, il est indifférent aux fluctuations normales de l'air qui sont relativement lentes.

"La génération contrôlée de tourbillons optiques spatio-temporels peut conduire à des applications telles que la propagation résiliente d'informations ou de puissance de faisceau à travers la turbulence ou le brouillard, ", dit Milchberg. "Ces éléments sont importants pour des applications telles que les communications optiques en espace libre utilisant des lasers ou pour fournir de l'énergie à partir de stations au sol aux véhicules aériens."