A new method to bend and split light rays of different colors by a non-linear optical process

In a recent experiment conducted at Tel Aviv University and published in the prestigious journal Nature Photonics, the researchers showed that it is also possible to split and bend the path of light beams, by using an additional light beam and a non-linear crystal

Light rays advance in a uniform medium such as air or glass in straight lines, but on the other hand, the path of charged particles such as electrons can be curved by applying an electric or magnetic field. In a recent experiment conducted at Tel Aviv University and published in the prestigious journal Nature Photonics, the researchers showed that it is also possible to split and bend the path of light beams, by using an additional light beam and a non-linear crystal.

צוות החוקרים מהפקולטה להנדסה ומבית הספר לפיזיקה של אוניברסיטת תל אביב כולל את הדוקטורנטים אופיר ישרים (שהוביל את הניסוי) ואביב קרניאלי, ד"ר סטיבן ג׳אקל, ד"ר ג׳וזפה די דומניקו, וד"ר סיוון טרכטנברג-מילס, תחת הנחייתו של פרופ׳ עדי אריה, מופקד הקתדרה ע"ש מרקו ולוסי שאול.

הניסוי שבוצע מבוסס על אנלוגיה בתחום האופטי לאחד מניסויי המפתח של תורת הקוונטים, ניסוי שטרן-גרלך אשר פורסם בדיוק לפני 100 שנה, בשנת 1922. החוקרים הגרמניים אוטו שטרן ו-וולטר גרלך שלחו אטומי כסף דרך שדה מגנטי שמשתנה במרחב, והבחינו כי כתוצאה מכך מתקבל פיצול של אלומת האטומים: מחצית מהאטומים סטו לכיוון אחד, ומחציתם השני לכיוון הנגדי.  הסיבה לכך היא שלאלקטרוני הערכיות של הכסף יש תכונה הקרויה ספין, אשר גם קובעת את המומנט המגנטי של כל אלקטרון. השדה המגנטי החיצוני מפעיל כוח על האלקטרון, אשר תלוי בכיוון המומנט המגנטי של אותו אלקטרון. בניסוי התברר כי ערך הספין שנמדד יכול לקבל רק שני ערכים אפשריים (שנקרא להם "מעלה" ו"מטה"), ולכן אלומת האטומים מתפצלת לשתי זוויות בלבד.

Today, 100 years after the original experiment, researchers from Tel Aviv University performed a parallel experiment in optics, in which light rays were split using a non-linear interaction (an interaction in which light rays can influence each other).

As part of the experiment, the researchers used non-linear optical crystals. According to them, these crystals are often used to perform frequency conversions - that is, a laser beam of a certain wavelength (color) will become a beam of a different wavelength.

פרופ' עדי אריה מסביר: "בניסוי זה, שלחנו 3 אלומות אור בארכי גל שונים לגביש לא לינארי, שלמען הנוחות נסמן אותם בצורה סימבולית כאלומות בצבע כחול, ירוק ואדום. האלומה הירוקה היא בעוצמה חזקה בהרבה מהאלומות האחרות, ובאמצעות התהליך הלא ליניארי היא מאפשרת המרת אנרגיה מהאלומה הכחולה לאדומה או להיפך. בניסוי שבוצע, נשלחה אלומה ירוקה רחבה, שלה  עוצמה מקסימלית במרכזה, והיא יורדת לאפס בשולי האלומה. כך יוצרים אינטראקציה שמשתנה במרחב – אינטראקציה חזקה במרכז האלומה, ואינטראקציה חלשה בשוליה.

פרופ' אריה מוסיף כי "אלומה זו ממלאת תפקיד אנלוגי לשדה המגנטי המשתנה במרחב בניסוי שטרן-גרלך המקורי. אם נשלח אלומה כחולה לאזור המואר על ידי שיפולי האלומה הירוקה, נקבל פיצול לשתי אלומות הנעות בזויות שונות, שבכל אחת מהן יש כעת אור כחול ואור אדום. באחת האלומות האור הכחול והאור האדום הם בעלי אותו מופע (פאזה) והיא נעה ימינה ובאלומה השניה הן במופע הפוך והיא נעה שמאלה. שתי אלומות אלה הן האנלוג של הספין של האלקטרון בניסוי שטרן גרלך המקורי. כמו כן, אפשר להגדיל או להקטין את זווית הפיצול על ידי הגדלה או הקטנה של עוצמת הלייזר הירוק. לעומת זאת, כאשר הוכנסה אלומה משולבת של כחול ואדום, לא ניתן היה לראות פיצול – הקרן סטתה לכיוון אחד בלבד, כתלות במופע בין הצבעים שהוכנסו. ניסוי זה מקביל למקרה שבו מכניסים אטומי כסף בעלי ספין ״מעלה״ או ״מטה״ בלבד בניסוי שטרן גרלך".

In conclusion, the researchers explain that spatial splitting of wavelengths is nothing new. A prism, for example, allows a spatial splitting of wavelengths into different angles, but this splitting is permanent and separates each color in one direction. In the experiment demonstrated as part of this research, the splitting makes it possible to use a combination of wavelengths, depending on the occurrence between them, and to control the splitting angle by an additional light beam. This phenomenon has potential applications in the fields of signal processing and optical communication, quantum communication, quantum computing, precision sensing, and more. The researchers believe that the experiment will be the starting point for further experiments that take advantage of the parallel between systems of electrons in a magnetic field and optical systems.

for the scientific article

More of the topic in Hayadan:

• The Technion researcher applied the theory of games in the guidance of missiles
• An explanation for a long-standing mystery in hydrogen production
• Israeli researchers have deciphered a new mechanism in the process related to the production of hydrogen using solar energy
• Creation and control of accelerating laser beams (Airy Beams) using nonlinear photonic crystals
• A researcher managed to miniaturize hybrid chips without compromising their efficiency and accuracy