Un rivelatore naturale per la luce strutturata: l'occhio umano

The perception of polarization is widespread in the animal realm, enabling vital abilities in insects, arthropods, and cephalopods for orientation, biorecognition, or prey detection. Conversely, the visual system of mammals is essentially limited to the perception of light intensity (contrast) and wavelength (colours). Remarkably, however, the interaction of linearly polarized light with the central region of the macula can induce, even in human beings, the perception of a tiny bow-tie pattern oriented perpendicularly to the polarization plane. This phenomenon, called Haidinger's brushes after the name of its discoverer in 1844, is maximally visible under blue light and originates from the spatial filtering of linear polarization by the protective layer of dichroic macular pigments, which are oriented in the fovea to form a sort of embedded radial polarizer for short wavelengths. Illumination with structured beams of light, such as vector beams, exhibiting complex spatially-variant configurations of polarization, is expected to stimulate the perception of higher-order Haidinger’s texture with a number of brushes related to the topological charge of the constituent orbital angular momentum beams. That extends further the detection capability of the visual system, including also the direct detection of phase with the naked eye, albeit under specific conditions. In this thesis, we will consider the aforementioned entoptic phenomenon under the illumination with different vector beams generated via non-trivial combination of spin and orbital angular momentum states. An optical setup will be assembled and tested in the laboratory to prove the capability of assessing the orbital angular momentum content and vectorial state of a complex light beam with the naked eye.

La percezione della polarizzazione è diffusa nel regno animale, consentendo a insetti, artropodi e cefalopodi capacità vitali per l'orientamento, il riconoscimento biologico o l'individuazione delle prede. Al contrario, il sistema visivo dei mammiferi è essenzialmente limitato alla percezione dell'intensità luminosa (contrasto) e della lunghezza d'onda (colori). Sorprendentemente, tuttavia, l'interazione della luce polarizzata linearmente con la regione centrale della macula può indurre, persino negli esseri umani, la percezione di un minuscolo motivo a farfalla orientato perpendicolarmente al piano di polarizzazione. Questo fenomeno, chiamato "spazzole di Haidinger" dal nome del suo scopritore nel 1844, è visibile soprattutto sotto luce blu e ha origine dal filtraggio spaziale della polarizzazione lineare da parte dello strato protettivo di pigmenti maculari dicroici, che sono orientati nella fovea in modo da formare una sorta di polarizzatore radiale incorporato per le lunghezze d'onda corte. L'illuminazione con fasci di luce strutturati, come i fasci vettoriali, che presentano complesse configurazioni di polarizzazione spazialmente variabili, dovrebbe stimolare la percezione di una struttura di Haidinger di ordine superiore con un certo numero di "spazzole" correlate alla carica topologica dei fasci di momento angolare orbitale costituenti. Ciò estende ulteriormente la capacità di rilevamento del sistema visivo, includendo anche il rilevamento diretto della fase a occhio nudo, seppur in condizioni specifiche. In questa tesi, prenderemo in esame il succitato fenomeno entottico mediante l'illuminazione con diversi fasci vettoriali, generati attraverso una combinazione non banale di stati di spin e momento angolare orbitale. Verrà assemblato e testato in laboratorio un apparato sperimentale per dimostrare la possibilità di caratterizzare il contenuto di momento angolare orbitale e lo stato vettoriale di un campo luminoso complesso mediante la sola osservazione a occhio nudo.