Study of the propagation and detection of the orbital angular momentum of light for astrophysical applications

The aim of this work is to study the propagation of orbital angular momentum (OAM) of light for astrophysical applications and a method for OAM detection with optical telescopes. The thesis deals with the study of the orbital angular momentum (OAM) as a new observable for astronomers, which could give additional information with respect to those already inferred from the analysis of the intensity, frequency and polarization of light. Indeed, the main purpose of this work is to highlight that light can have a much more complex structure, and therefore can transport much more information. In particular, firstly we show that OAM can be imparted to light from interstellar media with a perturbed electron density function in the plane perpendicular to the propagation direction, revealing that the study of OAM could give information about the spatial structures of the traversed inhomogeneous media. The second part of the thesis deals with an experimental verification of the preservation of orbital angular momentum even for uncorrelated non-monochromatic wave beams, showing that this observable of light is preserved, thus we can aim at detecting it. Finally, if OAM can transport information, and if it is preserved in propagation, the obvious consequence is the study of its detection, in particular by an OAM mode sorter fitted to optical telescopes.

Lo scopo di questo lavoro è analizzare la propagazione del momento angolare orbitale (OAM) della luce per applicazioni astrofisiche e studiarne un metodo per la rilevazione con telescopi ottici. La tesi si occupa dello studio del momento angolare orbitale come un nuovo osservabile per gli astronomi, che potrebbe dare informazioni aggiuntive rispetto a quelle già deducibili dall'analisi della intensità, frequenza e polarizzazione della luce. Infatti, lo scopo principale di questo lavoro è di evidenziare come la luce possa avere una struttura molto più complessa, e quindi trasportare molte più informazioni. Inizialmente si dimostra che mezzi interstellari con una funzione di densità elettronica inomogenea nel piano perpendicolare alla direzione di propagazione della luce che li attraversa, possono conferire OAM. Ciò indica che lo studio dell' OAM può fornire informazioni sulle strutture spaziali dei mezzi attraversati non omogenei. Nella seconda parte della tesi viene esposta una verifica sperimentale della conservazione del momento angolare orbitale, anche per fasci d'onda non monocromatici e non coerenti . Viene così dimostrando che questo osservabile della luce si conserva, consentendone la rilevazione. Infine, osservato che l'OAM può trasportare informazioni, e che si conserva nella propagazione, si propone lo studio di un metodo per rivelarlo, in particolare di un uno spettrografo OAM per telescopi ottici.