Komplexe Freistrahloptik

Künstlerische Darstellung eines Random Walks im Freiraum.
Spiralförmige Trajektorien einer neuen Klasse optischer Strukturen – Radial selbst-beschleunigte Strahlen.

Entgegen der üblichen Annahme weist die Lichtpropagation im Freiraum verschiedene faszinierende Eigenschaften auf, die man eigentlich nur von künstlich strukturierten Medien erwarten würde. Die Anfangsbedingungen, zum Beispiel Amplitudenverteilung und Phase, eines optischen Strahls kann ihn dazu zwingen sich in einer erstaunlichen Art und Weise zu entwickeln.

Kürzlich gelang es uns, durch entsprechende Anpassung des Anfangswellenfeldes einen Quantum Random Walk im Freiraum [Optica 1, 268 (2014)] zu realisieren. Interessanterweise verhält sich das Licht hierbei als ob es einem periodischen Potential folgen würde, obwohl es im vollständig homogenen Freiraum propagiert.

Darüber hinaus erlauben die Gleichungen, die die Lichtausbreitung bestimmen, sogar spiralförmige Trajektorien im Freiraum. Wir entdeckten eine neue Art von Lichtstrahlen, die eine räumliche Rotation während der Propagation erfährt [Phys. Rev. Lett. 113, 183901 (2014)] und entwickelten eine umfassende Theorie, und diese neuen Strahlen in einer Reihe von Experimenten zu zeigen. Erst vor kurzem haben wir die besonderen Effekte des Bahndrehimpulses von nichtbeugenden ultrakurzen optischen Pulsen entdeckt [Phys. Rev. Lett. 115, 100401 (2015)].

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