Twisted light - propagation properties and particle dynamics

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit nichtlinearen optischen Phӓnomene mit Licht, das einen orbitalen Bahndrehimpuls (auch “twisted light“ (TL) gennant) besitzt. Im ersten Abschnitt der Arbeit werden die Ausbreitungseigenschaften von TL, insbesodere Selbstfokussierung und Defokussierung in einem nichtlinearen dielektrischen Medium untersucht. Mithilfe der Wentzel-Kramers-Brillouin und der paraxialen Nӓherung wird eine Differentialgleichung für die Breite des Strahls analytisch hergeleitet. Für Transmission und Reflexion von TL an einer dielektrischen mehrschichtigen Struktur, bestehend aus phasenkonjugierenden Grenzflӓchen werden analytische Ausdrücke hergeleitet. Der zweite Teil der Arbeit konzentriert sich auf die Dynamik von Teilchen in einem fokussierten und hoch intensiven TL Strahl. Es wird gezeigt, dass die spezielle Intensitӓtsverteilung des TL das Einfangen und das gezielte Beschleunigen von Heliumatomen aufgrund des ponderomotiven Potenzials erlaubt.

The work presents theoretical studies on nonlinear optical phenomena associated with light beams carrying orbital angular momentum, also called twisted light (TL). The thesis is divided into two main parts. The first part deals with the propagation of TL in a nonlinear medium with emphasis on self-focusing and defocusing of TL in a nonlinear dielectric medium. Utilizing the Wentzel-Kramers-Brillouin and the paraxial approximations, a differential equation for the beam width parameter is derived analytically. Next, the results are provided on the transmission and the reflection of TL through a dielectric multilayer structure containing phase-conjugating and calculated reflection and transmission coefficients are illustrated. The second part of the thesis focuses on the particle dynamics in TL, showing that the intensity distribution of TL results in trapping, guiding and acceleration of neutral helium atoms via the ponderomotive potential.