Ukrainian Journal of Physical Optics


2026 Volume 27, Issue 2


ISSN 1816-2002 (Online), ISSN 1609-1833 (Print)

GENERATION OF THE TOPOLOGICAL DIPOLES OF THE ORIENTATION OF OPTICAL INDICATRIX AND OPTICAL VORTICES BY THE BENDING STRESS IN POLYCARBONATE BAR

O. Krupych, D. Adamenko, T. Dudok, I. Skab and R. Vlokh

Author Information
O. Krupych ORCID logo SCOPUS logo, D. Adamenko ORCID logo SCOPUS logo, T. Dudok ORCID logo SCOPUS logo, I. Skab ORCID logo SCOPUS logo, *R. Vlokh ORCID logo SCOPUS logo
O.G.Vlokh Institute of Physical Optics of the Ivan Franko National University of Lviv, 23 Dragomanov Str., 79005, Lviv, Ukraine
*Corresponding author: vlokh@ifo.lviv.ua

ABSTRACT

The topological defects of the optical indicatrix orientation in a polycarbonate bar subjected to bending stress caused by distributed loading were experimentally revealed. It has been found that topological defects (TDs) are paired as topological dipoles, consisting of defects with the same half-integer strength but opposite signs. These TDs produce single-charged optical vortices with opposite orbital angular momentum (OAM) signs when circularly polarized light is incident on the polycarbonate bar. It has been shown that the sign of the OAM of the outgoing beam is positive when the signs of the TD's strength and spin angular momentum (SAMin) of the incident photons are the same, and negative when the signs of the TD's strength and SAMin of the incident photons are different. Therefore, the sign of TD strength and SAMin yields the sign of OAM, so that the media acts on the angular momentum like an XNOR logical gate. At the same time, the signs of incident and outgoing SAMs are always opposite, which relates to the NOT logical gate.

Keywords: topological defects, optical vortex, optical indicatrix, polarization singularities, bending stress, polycarbonate

UDC: 535.5

    1. Seidel, J. (2016). Topological structures in ferroic materials. Switzerland: Springer International Publishing, 228.
      doi:10.1007/978-3-319-25301-5
    2. Nagali, E., Sciarrino, F., De Martini, F., Marrucci, L., Piccirillo, B., Karimi, E., & Santamato, E. (2009). Quantum information transfer from spin to orbital angular momentum of photons. Physical Review Letters, 103(1), 013601.
      doi:10.1103/PhysRevLett.103.013601
    3. Salomaa, M. M., & Volovik, G. E. (1987). Quantized vortices in superfluid 3He. Reviews of Modern Physics, 59(3), 533.
      doi:10.1103/RevModPhys.59.533
    4. Onsager, L. (1949). The two fluid model for helium II [remarks by L. Onsager on pp. 249-250]. Nuovo Cimento Suppl, 6, 249-250.
      doi:10.1007/BF02780988
    5. Zurek, W. H. (1985). Cosmological experiments in superfluid helium?. Nature, 317(6037), 505-508.
      doi:10.1038/317505a0
    6. Trebin, H. R. (1998). Defects in liquid crystals and cosmology. Liquid Crystals, 24(1), 127-130.
      doi:10.1080/026782998207659
    7. Kibble, T. W. (1976). Topology of cosmic domains and strings. Journal of Physics A: Mathematical and General, 9(8), 1387-1398.
      doi:10.1088/0305-4470/9/8/029
    8. Lin, S. Z., Wang, X., Kamiya, Y., Chern, G. W., Fan, F., Fan, D., Casas, B., Liu, Y., Kiryukhin, V., Zurek, W. H.C., Batista, D. & Cheong, S. W. (2014). Topological defects as relics of emergent continuous symmetry and Higgs condensation of disorder in ferroelectrics. Nature Physics, 10(12), 970-977.
      doi:10.1038/nphys3142
    9. Vilenkin, A., Vilenkin, A., & Shellard, E. P. S. (1994). Cosmic strings and other topological defects. Cambridge University Press.
    10. Kurik, M. V., & Lavrentovich, O. D. (1988). Defects in liquid crystals: homotopy theory and experimental studies. Soviet Physics Uspekhi, 31(3), 196-224.
      doi:10.1070/PU1988v031n03ABEH005710
    11. Mermin, N. D. (1979). The topological theory of defects in ordered media. Reviews of Modern Physics, 51(3), 591.
      doi:10.1103/RevModPhys.51.591
    12. Kleman, M., & Lavrentovich, O. D. (2006). Topological point defects in nematic liquid crystals. Philosophical Magazine, 86(25-26), 4117-4137.
      doi:10.1080/14786430600593016
    13. Boulbitch, A. A., & Toledano, P. (1998). Phase nucleation of elastic defects in crystals undergoing a phase transition. Physical Review Letters, 81(4), 838.
      doi:10.1103/PhysRevLett.81.838
    14. Marrucci, L., Karimi, E., Slussarenko, S., Piccirillo, B., Santamato, E., Nagali, E., & Sciarrino, F. (2011). Spin-to-orbital conversion of the angular momentum of light and its classical and quantum applications. Journal of Optics, 13(6), 064001.
      doi:10.1088/2040-8978/13/6/064001
    15. Nielsen, M. A., Chuang, I. L. (2010). Quantum computation and quantum information. Cambridge university press.
    16. Molina-Terriza, G., Torres, J. P., & Torner, L. (2001). Management of the angular momentum of light: preparation of photons in multidimensional vector states of angular momentum. Physical Review Letters, 88(1), 013601.
      doi:10.1103/PhysRevLett.88.013601
    17. Chen, L., & She, W. (2008). Electro-optically forbidden or enhanced spin-to-orbital angular momentum conversion in a focused light beam. Optics Letters, 33(7), 696-698.
      doi:10.1364/OL.33.000696
    18. Li, P., Sun, Y., Yang, Z., Song, X., & Zhang, X. (2015). Classical hypercorrelation and wave-optics analogy of quantum superdense coding. Scientific Reports, 5(1), 18574.
      doi:10.1038/srep18574
    19. D'Ambrosio, V., Carvacho, G., Graffitti, F., Vitelli, C., Piccirillo, B., Marrucci, L., & Sciarrino, F. (2016). Entangled vector vortex beams. Physical Review A, 94(3), 030304.
      doi:10.1103/PhysRevA.94.030304
    20. Chen, L., & She, W. (2009). Teleportation of a controllable orbital angular momentum generator. Physical Review A - Atomic, Molecular, and Optical Physics, 80(6), 063831.
      doi:10.1103/PhysRevA.80.063831
    21. Gahagan, K. T., & Swartzlander Jr, G. A. (1996). Optical vortex trapping of particles. Optics Letters, 21(11), 827-829.
      doi:10.1364/OL.21.000827
    22. Rubano, A., Cardano, F., Piccirillo, B., & Marrucci, L. (2019). Q-plate technology: a progress review. Journal of the optical society of america B, 36(5), D70-D87.
      doi:10.1364/JOSAB.36.000D70
    23. Marrucci, L., Manzo, C., & Paparo, D. (2006). Optical spin-to-orbital angular momentum conversion in inhomogeneous anisotropic media. Physical Review Letters, 96(16), 163905.
      doi:10.1103/PhysRevLett.96.163905
    24. Marrucci, L. (2007, May). Rotating light with light: Generation of helical modes of light by spin-to-orbital angular momentum conversion in inhomogeneous liquid crystals. In Liquid crystals and applications in optics (Vol. 6587, pp. 56-66). SPIE.
      doi:10.1117/12.722305
    25. Bliokh, K. Y., Rodríguez-Fortuño, F. J., Nori, F., & Zayats, A. V. (2015). Spin-orbit interactions of light. Nature Photonics, 9(12), 796-808.
      doi:10.1038/nphoton.2015.201
    26. Skab, I., Vasylkiv, Y., Smaga, I., & Vlokh, R. (2011). Spin-to-orbital momentum conversion via electro-optic Pockels effect in crystals. Physical Review A - Atomic, Molecular, and Optical Physics, 84(4), 043815.
      doi:10.1103/PhysRevA.84.043815
    27. Vasylkiv, Y., Skab, I., & Vlokh, R. (2014). Generation of double-charged optical vortices on the basis of electro-optic Kerr effect. Applied Optics, 53(10), B60-B73.
      doi:10.1364/AO.53.000B60
    28. Vasylkiv, Y., Krupych, O., Skab, I., & Vlokh, R. (2011). On the spin-to-orbit momentum conversion operated by electric field in optically active Bi12GeO20 crystals. Ukrainian Journal of Physical Optics, 12(4), 171-179.
      doi:10.3116/16091833/12/4/171/2011
    29. Skab, I., Vasylkiv, Y., & Vlokh, R. (2012). Induction of optical vortex in the crystals subjected to bending stresses. Applied Optics, 51(24), 5797-5805.
      doi:10.1364/AO.51.005797
    30. Skab, I., Vasylkiv, Y., Zapeka, B., Savaryn, V., & Vlokh, R. (2011). Appearance of singularities of optical fields under torsion of crystals containing threefold symmetry axes. Journal of the Optical Society of America A, 28(7), 1331-1340.
      doi:10.1364/JOSAA.28.001331
    31. Skab, I., Vasylkiv, Y., Savaryn, V., & Vlokh, R. (2011). Optical anisotropy induced by torsion stresses in LiNbO 3 crystals: appearance of an optical vortex. Journal of the Optical Society of America A, 28(4), 633-640.
      doi:10.1364/JOSAA.28.000633
    32. Vasylkiv, Y., Kryvyy, T., Skab, I., & Vlokh, R. (2016). Conditions of appearance of the topological defects of optical indicatrix orientation in the glasses with residual stresses: Movement of the defects under application of external mechanical stress to CaB4O7 glasses. Ukrainian Journal of Physical Optics, 17 (2), 65-74.
      doi:10.3116/16091833/17/2/65/2016
    33. Vasylkiv, Y., Skab, I., & Vlokh, R. (2016). Identification of the topological defects of optical indicatrix orientation in CaB4O7 glasses. Journal of Optics, 18(8), 084006.
      doi:10.1088/2040-8978/18/8/084006
    34. Krupych, O., Adamenko, D., Dudok, T., Skab, I., & Vlokh, R. (2026). Optical vortex generation using a glass plate bent by a load distributed over a finite distance. Ukrainian Journal of Physical Optics, 27(1), 01102-01109.
      doi:10.3116/16091833/Ukr.J.Phys.Opt.2026.01102
    35. Waxler, R. M., Horowitz, D., & Feldman, A. (1979). Optical and physical parameters of Plexiglas 55 and Lexan. Applied Optics, 18(1), 101-104.
      doi:10.1364/AO.18.000101
    36. Vasylkiv, Y., Smaga, I., Skab, I., & Vlokh, R. (2013). Efficient materials for spin-to-orbit angular momentum conversion using bending technique. Ukrainian Journal of Physical Optics, 14 (4), 200-209.
      doi:10.3116/16091833/14/4/200/2013
    37. Krupych, O., Dudok, T., Skab, I., Nastishin, Y., Hrabchak, Z., Chernenko, A., . Buluy, O., Zelenov, P., Nazarenko, V., Kurochkin, O., & Vlokh, R. (2025). Electric field controlled switching of an optical vortex charge with a liquid crystal cell. Optics Communications, 579, 131593.
      doi:10.1016/j.optcom.2025.131593

    Експериментально виявлено топологічні дефекти орієнтації оптичної індикатриси в полікарбонатному бруску, що піддається згинальному напруженню, спричиненому розподіленим навантаженням. Було виявлено, що пари топологічних дефектів формують топологічні диполі, що складаються з дефектів з однаковою напівцілою силою, але протилежними знаками. Ці топологічні дефекти генерують оптичні вихори одиничного заряду з протилежним знаком орбітального моменту імпульсу при падінні на полікарбонатний зразок циркулярно поляризованого світла. Показано, що знак орбітального моменту імпульсу вихідного променя є додатним, коли знаки сили топологічного дефекту та спінового моменту імпульсу падаючих фотонів однакові, і від'ємним, коли їх знаки різні. Отже, знак сили топологічного дефекту та спінового моменту імпульсу вхідного фотона призводить до знака орбітального моменту імпульсу, так що середовище діє на кутовий момент подібно до логічного елемента XNOR. Водночас знаки падаючого та вихідного спінових кутових моментів завжди протилежні, що відповідає логічному елементу NOT.

    Ключові слова: топологічні дефекти, оптичний вихор, оптична індикатриса, сингулярності поляризації, згинальні напруження, полікарбонат

Free download this article 

This work is licensed under CC BY 4.0