Dynamic generation and detection of optical vortices by means of spatial light modulators

A beam of light holds many properties such as the intensity value and spatial distribution, polarization (denoting spin angular momentum), wavelength (linear momentum), and orbital angular momentum (associated with its phase structure). Structured light refers to the control of these degrees of freedom, individually or in combination, in order to enhance or extend their optical capabilities. In the last decade, the possibility to modify and control the intensity and phase spatial distribution of light has fostered the applications of structured light beams in a wide range of fields, such as particle manipulation and tweezing, microscopy, imaging, classical and quantum communications. In this thesis, we analyze some of the most important families of structured light beams and how to control and measure their properties with the use of computer-controlled spatial light modulators (SLMs). An experimental optical setup based on SLMs has been arranged on an optical table and numerical codes have been developed for the generation of custom light beams carrying orbital angular momentum and their optical detection and analysis with holographic methods.

Un fascio di luce possiede molte proprietà quali l’intensità e la distribuzione spaziale, la polarizzazione (che denota il momento angolare di spin), la lunghezza d’onda (momento lineare) e il momento angolare orbitale (associato alla sua struttura di fase). Il termine luce strutturata fa riferimento al controllo di questi gradi di libertà, individualmente o combinandoli, al fine di potenziarne o estenderne le capacità ottiche. Negli ultimi dieci anni, la possibilità di modificare e controllare l’intensità e la distribuzione spaziale di fase della luce ha promosso le applicazioni dei fasci di luce strutturata in un ampio panorama di settori, quali manipolazione e intrappolamento di particelle, microscopia, imaging, comunicazioni classiche e quantistiche. In questa tesi, abbiamo analizzato alcune delle più importanti famiglie di fasci di luce strutturata e come controllarne e misurarne le proprietà mediante l’uso di spatial light modulators (SLMs). Un apparato ottico sperimentale basato su SLMs `e stato predisposto su un banco ottico e codici numerici sono stati sviluppati per la generazione di specifici fasci di luce che trasportano momento angolare orbitale e per la loro rilevazione e analisi con metodi olografici.