Астигматическое преобразование набора краевых дислокаций, внедренных в гауссов пучок
Автор: Котляр Виктор Викторович, Ковалв Алексей Андреевич, Налимов Антон Геннадьевич
Журнал: Компьютерная оптика @computer-optics
Рубрика: Дифракционная оптика, оптические технологии
Статья в выпуске: 2 т.45, 2021 года.
Бесплатный доступ
Теоретически показано, как Гауссов пучок c конечным числом параллельных линий нулей интенсивности (краевых дислокаций) с помощью цилиндрической линзы преобразуется в вихревой пучок, имеющий орбитальный угловой момент и топологический заряд. Причем в начальной плоскости у такого пучка уже есть орбитальный угловой момент, но нет топологического заряда, который появляется только при распространении в свободном пространстве. На примере двух параллельных линий нулей интенсивности, симметрично расположенных относительно центра, показана динамика формирования двух нулей интенсивности на двойном фокусном расстоянии: при увеличении расстояния между вертикальными линиями нулей интенсивности два оптических вихря формируются сначала на горизонтальной оси, потом сходятся в центр, а затем расходятся, но уже по вертикальной оси. Топологический заряд такого оптического вихря при любом расстоянии между линиями нулей равен - 2. Причем на любом расстоянии по оптической оси, кроме начальной плоскости. При изменении расстояния между линиями нулей интенсивности меняется орбитальный угловой момент пучка. Он может быть отрицательным, положительным и при определенном расстоянии между линиями нулей интенсивности орбитальный угловой момент может быть равен нулю. Показано также, что в случае неограниченного числа линий нулевой интенсивности формируется пучок с конечным орбитальным угловым моментом и с бесконечным топологическим зарядом.
Орбитальный угловой момент, топологический заряд, нули интенсивности, оптический вихрь
Короткий адрес: https://sciup.org/140257375
IDR: 140257375 | DOI: 10.18287/2412-6179-CO-849
Astigmatic transformation of a set of edge dislocations embedded in a Gaussian beam
It is theoretically shown how a Gaussian beam with a finite number of parallel lines of intensity s (edge dislocations) is transformed using a cylindrical lens into a vortex beam that carries orbital angular momentum (OAM) and has a topological charge (TC). In the initial plane, this beam already carries OAM, but does not have TC, which appears as the beam propagates further in free space. Using an example of two parallel lines of intensity s symmetrically located relative to the origin, we show the dynamics of the formation of two intensity s at the double focal length: as the distance between the vertical lines of intensity s is being increased, two optical vortices are first formed on the horizontal axis, before converging to the origin and then diverging on the vertical axis. At any distance between the zero-intensity lines, the optical vortex has the topological charge TC = -2, which conserves at any on-axis distance, except the initial plane. When the distance between the zero-intensity lines changes, the OAM that the beam carries also changes. It can be negative, positive, and at a certain distance between the lines of intensity s OAM can be equal to zero. It is also shown that for an unlimited number of zero-intensity lines, a beam with finite OAM and an infinite TC is formed.
Список литературы Астигматическое преобразование набора краевых дислокаций, внедренных в гауссов пучок
- Kotlyar, V.V. Vortex laser beams / V.V. Kotlyar, A.A. Kovalev, A.P. Porfirev. - CRC Press, 2018. - ISBN: 978-1-138-54211-2.
- Vasara, A. Realization of general nondiffracting beams with computer-generated holograms / A. Vasara, J. Turunen, A.T. Friberg // Journal of the Optical Society of America A. - 1989. - Vol. 6, Issue 11. - P. 1748-1754.
- Heckenberg, N.R. Generation of optical phase singularities by computer-generated holograms / N.R. Heckenberg, R. McDaff, C.P. Smith, A.G. White // Optics Letters. -1992. - Vol. 17, Issue 3. - P. 221-223.
- Bazhenov, V.Yu. Screw dislocations in light wavefronts / V.Yu. Bazhenov, M.S. Soskin, M.V. Vasnetsov // Journal of Modern Optics. - 1992. - Vol. 39, Issue 5. - P. 985-990.
- Abramochkin, E. Beam transformation and nontrans-formed beams / E. Abramochkin, V. Volostnikov // Optics Communications. - 1991. - Vol. 83, Issues 1-2. - P. 123135. - DOI: 10.1016/0030-4018(91)90534-K.
- Khonina, S.N. The phase rotor filter / S.N. Khonina, V.V. Kotlyar, G.V. Uspleniev, M.V. Shinkarev, V.A. Soifer // Journal of Modern Optics. - 1992. - Vol. 39, Issue 5. -P. 1147-1154. - DOI: 10.1080/09500349214551151.
- Beijersbergen, M.V. Helical-wavefront laser beams produced with a spiral phase plate / M.V. Beijersbergen, R.P.C. Coerwinkel, M. Kristensen, J.P. Woerdman // Optics Communications. - 1994. - Vol. 112, Issues 5-6. - P. 321-327.
- Fedotowsky, A. Optimal filter design for annular imaging / A. Fedotowsky, K. Lehovec // Applied Optics. - 1974. -Vol. 13, Issue 12. - P. 2919-2923.
- Khonina, S.N. Trochoson / S.N. Khonina, V.V. Kotlyar, V.A. Soifer, M.V. Shinkaryev, G.V. Uspleniev // Optics Communications. - 1992. - Vol. 91, Issues 3-4. - P. 158162. - DOI: 10.1016/0030-4018(92)90430-Y.
- Marrucci, L. Optical spin-to-orbital angular momentum conversion in inhomogeneous anisotropic media / L. Marrucci, C. Manzo, D. Paparo // Physical Review Letters. - 2006. - Vol. 96, Issue 16. - 163905.
- Naik, D.N. Generation of singular optical beams from fundamental Gaussian beam using Sagnac interferometer / D.N. Naik, N.K. Viswanahan // Journal of Optics. - 2016. -Vol. 18, Issue 9. - 095601.
- Zhu, L. Arbitrary manipulation of spatial amplitude and phase using phase-only spatial light modulators / L. Zhu, J. Wang // Scientific Reports. - 2014. - Vol. 4. - P. 7441.
- Devlin, R.C. Arbitrary spin-to-orbital angular momentum conversion of light / R.C. Devlin, A. Ambrosio, A. Rubin, J.B. Mueller, F. Capasso // Science. - 2017. - Vol. 358. -P. 896-901.
- Miao, P. Orbital angular momentum microlaser / P. Miao, Z. Zhang, J. Sun, W. Walasik, S. Longhi, N.M. Litchintser, L. Feng // Science. - 2016. - Vol. 353. - P. 464-467.
- Vaity, P. Formation of optical vortices through superposition of two Gaussian beams / P. Vaity, A. Aadhi, R.P. Singh // Applied Optics. - 2013. - Vol. 52, Issue 27. - P. 6652-6656.
- Zhang, J. Circular polarization analyzer based on the combined coaxial Archimedes' spiral structure / J. Zhang, Z. Guo, R. Li, W. Wang, A. Zhang, J. Liu, S. Qu, J. Gao // Plasmonics. - 2015. - Vol. 10, Issue 6. - P. 1256-1261.
- Zhang, J. Circular polarization analyzer based on an Archimedean nano-pinholes array / J. Zhang, Z. Guo, K. Zhou, L. Ran, L. Zhu, W. Wang, Y. Sun, F. Shen, J. Gao, S. Liu // Optics Express. - 2015. - Vol. 23, Issue 23. - P. 30523-30531.
- Zhan, H. Generation of acoustic vortex beams with designed Fermat's spiral diffraction grating / H. Zhan, J. Li,
- K. Guo, Z. Guo // The Journal of the Acoustical Society of America. - 2019. - Vol. 146, Issue 6. - P. 4237-4243.
- Wang, H. Vortex beam generation with variable topological charge based on a spiral slit / H. Wang, L. Liu, C. Zhou, J. Xu, M. Zhang, S. Teng, Y. Cai // Nanophotonics. - 2019. - Vol. 8, Issue 2. - 214.
- Petrov, D.V. Vortex-edge dislocation interaction in a linear medium / D.V. Petrov // Optics Communications. - 2001. -Vol. 188, Issues 5-6. - P. 307-312.
- Petrov, D.V. Splitting of a an edge dislocation by an optical vortex / D.V. Petrov // Optical and Quantum Electronics. -2002. - Vol. 34. - P. 759-773.
- He, D. Interaction of the vortex and edge dislocation embedded in a sosh-Gaussian beam / D. He, H. Yan, B. Lu // Optics Communications. - 2009. - Vol. 282, Issue 20. - P. 4035-4044.
- Chen, H. Splitting of an edge dislocation by a vortex emergent from a nonparaxial beam / H. Chen, W. Wang, Z. Gao, W. Li // Journal of the Optical Society of America B. -2019. - Vol. 36, Issue 10. - P. 2804-2809.
- Kotlyar, V.V. Three different types of astigmatic Hermite-Gaussian beams with orbital angular momentum / V.V. Kotlyar, A.A. Kovalev, A.P. Porfirev, E.S. Kozlova // Journal of Optics. - 2019. - Vol. 21, Issue 11. - 115601. -DOI: 10.1088/2040-8986/ab42b5.
- Kotlyar, V.V. Vortex astigmatic Fourier-invariant Gaussian beams / V.V. Kotlyar, A.A. Kovalev, A.P. Porfirev // Optics Express. - 2019. - Vol. 27, Issue 2. - P. 657-666. - DOI: 10.1364/OE.27.000657.
- Courtial, J. Gaussian beams with very high orbital angular momentum / J. Courtial, K. Dholakia, L. Allen, M.J. Padgett // Optics Communications. - 1997. - Vol. 144, Issues 4-6. -P. 210-213.
- Kotlyar, V.V. Elliptic Gaussian optical vortices / V.V. Kotlyar, A.A. Kovalev, A.P. Porfirev // Physical Review A. - 2017. -Vol. 95. - 053805. - DOI: 10.1103/PhysRevA.95.053805.
- Lin, J. Cosine-Gauss plasmon beam: a localized long-range nondiffracting surface wave / J. Lin, J. Dellinger, P. Genevet, B. Cluzel, F. de Fornel, F. Capasso // Physical Review Letters. - 2012. - Vol. 109, Issue 9. - 093904.
