Optical vortex diffractive optics for terrestrial and space applications

I vortici ottici, sono caratteristiche topologiche dell’onda, legate alle singolaritá di fase nei campi elettromagnetici che trasportano momento angolare orbitale (OAM). Il fronte d’onda ha forma elicoidale, si attorciglia spiraleggiando attorno all’asse di propagazione in cui la fase é indefinita. Lungo l’asse dell’elica le onde fanno interferenza distruttiva le une con le altre, con il risultato di una distribuzione d’intensitá caratterizzato da una regione buia nel centro, circondata da luce a forma di ciambella. I vortici ottici sono caratterizzati da un valore, detto carica topologica che indica quante volte la fase compie una completa variazione di 360 gradi attorno all’asse ottico in una lunghezza d’onda. I vortici ottici possono essere prodotti con l’utilizzo di strumenti ottici. In particolare in questa tesi sono state studiate delle particolare ottiche diffrattive dette spirali di fase. Le spirali di fase sono ottiche il cui spessore cresce gradualmente intorno ad un asse; somigliano a scale a chioc- ciola, costruite con un certo numero di scalini ed impongono al fascio incidente un ritardo di fase che dipende dall’angolo azimutale. L’oggetto di questa ricerca é lo studio delle proprietá delle spirali di fase, la caratterizzazione e alcune possibili applicazioni. Lo studio si é inizialmente concentrato sulle spirali da fase nel range del visibile. Attraverso simulazioni numeriche ed esperimenti al banco ottico, siamo riusciti a ricavare una relazione tra il numero degli scalini che costruiscono il salto di fase nella spirale e la carica topologica che viene imposta al fascio incidente. Questo risultato ci ha permesso di ottimizzare i parametri di costruzione della spirale realiz- zata in PMMA per applicazioni astronomiche. Abbiamo infatti assemblato il primo prototipo di un coronografo a vortici ottici, nel cui cammino ottico é stata inserita la spirale di fase realizzata in base ai parametri da noi definiti. I coronografi, in generale, sono strumenti progettati per bloccare la luce proveniente da una sorgente brillante in modo tale da poter osservare direttamente delle sorgenti piú deboli nelle vicinanze. Il coronografo a vortici ottici sfrutta la regione buia nella di- stribuzione d’intensitá di un vortice ottico per attenuare la luce di una sorgente luminosa, senza diminuire l’intensitá della sorgente secondaria. Abbiamo testato il nostro prototipo al telescopio ’Galileo’ 122cm di Asiago, attenuando l’in- tensitá di una componente del sistema stellare doppio Epsilon2 Lyrae di quasi un ordine di magnitudine. L’applicazione astronomica della spirale di fase ci ha spinto allo studio delle sua efficienza, ovvero del contrasto che si ottiene nella zona buia del vortice ottico, a diverse distanze angolari della sorgente secondaria rispetto alla singolaritá centrale della spirale. Simulazioni numeriche hanno mostrato che il coronografo a vortici ottici funziona anche al di sotto del limite di risoluzione di Rayleigh. La ricerca si é sviluppata fino alla formulazione di un nuovo metodo per determinare la distanza angolare tra due sorgenti distanti meno del criterio di Rayleigh. Il nuovo metodo sfrutta la distribuzione d’intensitá asimmetrica dei vortici ottici prodotti dalla sorgente secondaria che passa attraverso la spirale di fase, ma non in corrispondenza della singolaritá centrale. Poiché le equazioni di Maxwell sono valide su tutto lo spettro elettromagnetico, i vortici posso- no essere prodotti anche in diverse bande rispetto al visibile. Basandoci su questo fondamentale principio abbiamo studiato delle ottiche diffrattive per la produzione di vortici nel range del radio. Abbiamo costruito con polistirolo e alluminio una spirale di fase basandoci sui risultati trovati nel visibile ed abbiamo ottenuto la prima evidenza sperimentale di un vortice radio. La verifica speri- mentale della possibilitá di generare e sfruttare vortici radio ha spianato la strada all’esperimento successivo che é stato condotto nel campo della comunicazione radio. Abbiamo compiuto la prima trasmissione OAM in cui due segnali sono stati trasmessi con- temporaneamente e sulla stessa frequenza, su due canali radio codificati in due diversi stati di momento angolare orbitale. Questa nuova tecnica radio permette, in teoria, di codificare un infinito numero di canali in una singola banda centrata su una frequenza. I risultati dei nostri esperimenti nel dominio del radio aprono nuove prospettive nel mondo della comunicazione.