Registro:
| Documento: | Tesis Doctoral |
| Título: | Generación de haces de luz con singularidades de fase y polarización |
| Título alternativo: | Generation of light beams with phase and polarization singularities |
| Autor: | Vergara, Martín Alexis |
| Editor: | Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales |
| Publicación en la Web: | 2022-10-04 |
| Fecha de defensa: | 2022-07-15 |
| Fecha en portada: | 2022 |
| Grado Obtenido: | Doctorado |
| Título Obtenido: | Doctor de la Universidad de Buenos Aires en el área de Ciencias Físicas |
| Director: | Iemmi, Claudio César |
| Consejero: | Ledesma, Silvia Adriana |
| Jurado: | Martínez, Oscar Eduardo; Skigin, Diana Carina; Tebaldi, Myrian Cristina |
| Idioma: | Español |
| Palabras clave: | OPTICA SINGULAR; MOMENTO ANGULAR ORBITAL; POLARIZACION ESTRUCTURADA; HAZ VORTICE; HAZ VECTORIAL; MODULADOR ESPACIAL DE LUZ; PANTALLA DE CRISTAL LIQUIDO; Q-PLATESINGULAR OPTICS; ORBITAL ANGULAR MOMENTUM; STRUCTURED POLARIZATION; VORTEX BEAM; VECTOR BEAM; SPATIAL LIGHT MODULATOR ; LIQUID CRYSTAL DISPLAY; Q-PLATE |
| Formato: | PDF |
| Handle: |
http://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7095_Vergara |
| PDF: | https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/download/tesis/tesis_n7095_Vergara.pdf |
| Registro: | https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/collection/tesis/document/tesis_n7095_Vergara |
| Ubicación: | Dep.FIS 007095 |
| Derechos de Acceso: | Esta obra puede ser leída, grabada y utilizada con fines de estudio, investigación y docencia. Es necesario el reconocimiento de autoría mediante la cita correspondiente. Vergara, Martín Alexis. (2022). Generación de haces de luz con singularidades de fase y polarización. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.). Recuperado de http://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7095_Vergara |
Resumen:
La generación de campos de luz personalizados, o luz estructurada, implica la capacidad de modular tanto la intensidad como la fase o la polarización de los mismos. A medida que las herramientas y la tecnología para crear y detectar luz estructurada han evolucionado, las aplicaciones también han comenzado a emerger. Habitualmente, el término luz estructurada se toma como sinónimo de haces con momento angular orbital (OAM), sin embargo, dicho término va más allá de los haces portadores de OAM, y la generación de luz con modulación espacial de los estados de polarización (SoP) se vuelve cada vez más importante. Un fenómeno particularmente notable, que permite enriquecer la generación de haces estructurados, es que mientras la luz se propaga a través de un medio isótropo y homogéneo, SoP y OAM se conservan por separado; sin embargo, pueden acoplarse en presencia de un medio anisótropo y no homogéneo. Las q-plates son un dispositivo con estas características donde la conversión spin-orbital está relacionada con la fase de Pancharatnam-Berry o fase geométrica. Las mismas, en general, pueden describirse como láminas retardadoras de media onda en las cuales el eje principal gira con el ángulo de azimut a veces. Aunque estos elementos son altamente versátiles, con muchas aplicaciones potenciales en el campo de óptica singular, es deseable ampliar el concepto de q-plates con el fin de obtener mayor flexibilidad en el diseño y diversidad de respuestas. En esta Tesis se propone investigar la generación y detección de luz estructurada a partir del desarrollo de nuevos dispositivos basados en pantallas de cristal líquido que permitan implementar estas complejas tareas con montajes versátiles, compactos y cuya respuesta pueda modificarse en forma dinámica y programable. Para ello comenzamos introduciendo el concepto de q-plate generalizada, permitiendo modulaciones de fase arbitrarias (no necesariamente lineales) con funciones tanto de la coordenada azimutal como de la coordenada radial. En primera instancia, evaluamos el desempeño teórico de este tipo de elementos probando algunas funciones sencillas en simulaciones numéricas.Utilizando el formalismo de Jones y la teorıa escalar de la difracción, hallamos comportamientos interesantes en la propagación de los haces generados y sus distribuciones de singularidades. En segundo lugar, proponemos un dispositivo experimental, basado en una pantalla de cristal líquido de reflexión con modulación pura de fase, para emular el comportamiento de una q-plate generalizada. Esto brinda la flexibilidad necesaria para experimentar con estos elementos sin requerir de un proceso de fabricación para cada función en particular. Hallamos que las mediciones de fase y polarización de los haces generados con el dispositivo coinciden en alto grado con los resultados de las simulaciones para q-plates generalizadas ideales. En una tercera instancia, exploramos usos alternativos del dispositivo propuesto, por un lado para crear haces con momento angular orbital sintonizable y, por otro lado, para crear múltiples haces vórtice vectoriales perfectos. En el primer caso, ilustramos el desempeño de los haces generados con simulaciones, mediante un software de pinzas ópticas. En el segundo caso, medimos las distribuciones de polarización y fase de los haces vórtice vectoriales perfectos creados, usando técnicas interferométricas y polarimétricas. Hallamos, nuevamente, un alto grado de concordancia con las simulaciones computacionales. La flexibilidad y efectividad halladas, muestran a este dispositivo como una herramienta potencialmente útil, tanto en la investigación básica de la óptica singular, como en aplicaciones a micromanipulación óptica, microscopìa, información cuántica, comunicaciones, etc.
Abstract:
The generation of personalized light fields, or structured light, implies the ability to modulate the intensity as well as the phase or the polarization of light. As the available tools and technology for creating and detecting structured light have evolved, applications have also started to emerge. Habitually, the term “structured light” is used as a synonym of “beam carrying orbital angular momentum”, however, this term goes beyond OAMcarrying beams, and the generation of light with spatially modulated polarization states (SoP) is becoming increasingly important. A particularly remarkable phenomenon, which enriches the generation of structured beams, is the fact that when light propagates through an isotropic and homogeneous medium, OAM and SoP are preserved independently, but, in the presence of an anisotropic and inhomogeneous medium, this two may be coupled. The q-plates are devices with this properties, in which spin-to-orbital conversion is related with the Pancharatnam-Berry (or geometric) phase. These can be generally described as half-wave plates in which the principal axis rotates with the azimuth angle a total of q times around the axis. Even though these elements are highly versatile, and show many potential applications in the field of singular optics, it is desirable to extend the concept of q-plate, with the purpose of achieving greater flexibility in the design and diversity of responses. In this Thesis we propose a research about the generation and detection of structures light from the design of novel devices based on liquid crystal displays (LCDs), that allow implementing these complex tasks with versatile and compact assemblies, which response can be modified in a dynamic and programmable manner. With this purpose, we star introducing the concept of generalized q-plate, allowing arbitrary phase modulations (not necessary linear) with functions of both the azimuthal and the radial coordinates. First of all, we assess the theoretical performance of this kind of devices for some simple functions, with numeric simulations. Using the Jones formalis and the scalar diffraction theory, we find interesting behaviors on the propagation of the generated beams and their singularity distributions. Secondly, we propose an experimental device, based con a reflective liquid crystal on silicon (LCoS) display with pure phase modulation, for emulating the performance of a generalized q-plate. This provides the necessary flexibility to experiment with this elements without requiring a fabrication process for each particular function. We found that intensity, phase and polarization measurements over the beams created using the device, match to a high extent the simulated results for ideal generalized q-plates. In a third instance, we explore alternative uses for the proposed device, on the one hand to create beams with tunable OAM and, on the other hand, to create multiple perfect vector vortex beams. In the first case, we illustrate the performance of the generated beams with simulations, using an optical tweezers software. In the second case, we measure the polarization and phase distributions of the created perfect vector vortex beams, using interferometric and polarimetric techniques. We find, again, a high degree of agreement with the computational simulations. The flexibility and effectiveness found show this device as a potentially useful tool, both in basic singular optics research, and in applications to optical micromanipulation, microscopy, quantum information, communications, etc.
Citación:
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Vergara, Martín Alexis. (2022). Generación de haces de luz con singularidades de fase y polarización. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.). Recuperado de https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7095_Vergara
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Vergara, Martín Alexis. "Generación de haces de luz con singularidades de fase y polarización". Tesis Doctoral, Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, 2022.https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7095_Vergara
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