Цифровой анализ спекл картины хаотичной композиции мод и восстановление регулярного узора интенсивности после многомодового волокна

Цифровой анализ спекл картины хаотичной композиции мод и восстановление регулярного узора интенсивности после многомодового волокна

Автор: Воляр Александр Владимирович, Брецько Михаил Владимирович, Акимова Яна Евгеньевна, Егоров Юрий Александрович

Журнал: Компьютерная оптика @computer-optics

Рубрика: Дифракционная оптика, оптические технологии

Статья в выпуске: 2 т.45, 2021 года.

Бесплатный доступ

Экспериментально и теоретически исследовался процесс согласования мод в хаотической спекл картине без опорного пучка, ответственного за формирование голографической решетки. Наш подход основывается на измерении амплитуд и фаз мод Эрмита-Гаусса и Лагерра-Гаусса в спекл картине, образованной излучением многомодового градиентного волокна. Cпекл картина формировалась на голограмме пространственного модулятора света, используя модель многомодового градиентного волокна с учетом модовой и поляризационной дисперсии, а также случайных скачков фазы каждой собственной моды. Нам удалось согласовать 210 мод спекл картины и восстановить не только исходный узор, то также каждую структурированную моду Лагерра-Гаусса и всю цепочку собственных мод Эрмита-Гаусса.

Еще

Оптические вихри, структурированный сингулярный пучок, спекл картина

Короткий адрес: https://sciup.org/140257374

IDR: 140257374   |   DOI: 10.18287/2412-6179-CO-831

Digital analysis of a speckle pattern of chaotic mode composition and restoration of a regular intensity pattern after a multimode fiber

A process of mode matching in a chaotic speckle pattern without a reference beam responsible for the formation of a holographic grating was studied experimentally and theoretically. Our approach was based on measuring the amplitudes and phases of the Hermite-Gauss (HG) and Laguerre-Gauss (LG) modes in a speckle pattern formed by the radiation of a multimode gradient fiber. The speckle pattern was formed in a hologram of a spatial light modulator using a multimode gradient fiber model while taking into account the mode and polarization dispersion, as well as random phase jumps of each eigenmode. We managed to match 210 modes of the speckle pattern and restore not only the original pattern, but also each structured LG mode and the entire chain of HG eigenmodes.

Еще

Список литературы Цифровой анализ спекл картины хаотичной композиции мод и восстановление регулярного узора интенсивности после многомодового волокна

  • Franson, M. Laser speckle and applications in optics / M. Franson. - London: Academic Press Inc., 1979. - 174 p.
  • Cizmar, T. In situ wavefront correction and its application to micromanipulation / T. Cizmar, M. Mazilu, K. Dholakia // Nature Photonics. - 2010. - Vol. 4. - P. 388-394.
  • Ploschner, M. Seeing through chaos in multimode fibres / M. Ploschner, T. Tyc, T. Cizmar // Nature Photonics. -2015. - Vol. 9. - P. 529-535.
  • Kirilenko, M.S. Simulation of optical signals propagation in a random media / M.S. Kirilenko, S.N. Khonina // Proceeding International Conference Information Technology and Nanotechnology. - 2016. - Vol. 1638. - P. 55-65. -DOI: 10.18287/1613-0073-2016-1638-55-65.
  • Yeh, Ch. Handbook of fiber optics: theory and applications / Ch. Yeh. - London: Academic Press Inc., 1990. - 382 p.
  • Kumar, A. Polarization of light with applications in optical fiber / A. Kumar, A. Chatak. - Washington: SPIE Press, 2011. - 246 p.
  • Abdullaev, S.S. The speckle structure of an optical field in multimode waveguides / S.S. Abdultev, G.M Zaslavskii // Kvanto-vaya Elektronika. - 1987. - Vol. 14, Issue 7. - P. 1475-1484.
  • Boonzajer Flaes, D.E. Robustness of light-transport processes to bending deformations in graded-index multimode waveguides / D.E. Boonzajer Flaes, J. Stopka, S. Turtaev, J.F. de Boer, T. Tyc, T. Cizmar // Physical Review Letters. - 2018. - Vol. 120. - 233901.
  • Shemirani, M.B. Principal modes in graded-index multimode fiber in presence of spatial-and polarization-mode coupling / M.B. Shemirani, W. Mao, R.A. Panicker, J.M. Kahn // Journal of Lightwave Technology. - 2009. -Vol. 27, Issue 10. - P. 1248-1261.
  • Cizmar, T. Exploiting multimode waveguides for pure fiber-based imaging / T. Cizmar, K. Dholakia // Nature Communication. - 2012. - Vol. 3. - 1027.
  • Leonardo, D. Hologram transmission through multi-mode optical fibers / D. Leonardo, S. Bianchi // Optics Express. -2011. - Vol. 19. - P. 247-254.
  • Papadopoulos, IN. Focusing and scanning light through a multimode optical fiber using digital phase conjugation // I.N. Papadopoulos, S. Farahi, C. Moser, D. Psaltis // Optics Express. - 2012. - Vol. 20. - P. 10583-10590.
  • Carpenter, J. 110x110 optical mode transfer matrix inversion / J. Carpenter, B.J. Eggleton, J. Schröder // Optics Express. - 2014. - Vol. 22. - P. 96-101.
  • Ploschner, M. Seeing through chaos in multimode fibres. Supplementary information [Electronical Resource] / M. Ploschner, T. Tyc, T. Cizmar // Nature Photonics. -2015. - Vol. 9. - P. 529-535. - URL: https://www.nature.com/articles/nphoton.2015.112.
  • Czarske, J.W. Transmission of independent signals through a multimode fiber using digital optical phase conjugation / W. Czarske, D. Haufe, N. Koukourakis, L. Büttner // Optics Express. - 2016. - Vol. 24, Issue 13. - P. 15128- 15136.
  • Ma, Ch. Structured light beams created through a multimode fiber via virtual Fourier filtering based on digital optical phase conjugation / Chaojie Ma, Jianglei Di, Jiazhen Dou, Peng Li, Fajun Xiao, Kaihui Liu, Xuedong Bai, Jianlin Zhao // Applied Optics. - 2020. - Vol. 59, Issue 3. - P. 701-705.
  • Mounaix, M. Time reversal of optical waves / M. Mounaix, N.K. Fontaine, D.T. Neilson, J. Carpenter // Frontiers in Optics and Laser Science APS/DLS: Conference Papers. -2019. - FTu6B.5.
  • Büttner, L. Velocity measurements with structured light transmitted through a multimode optical fiber using digital optical phase conjugation / L. Büttner, M. Thümmler, J. Czarske // Optics Express. - 2020. - Vol. 28, Issue 6. - P. 8064-8075.
  • Yariv, A. Three-dimensional pictorial transmission in optical fibers / A. Yariv // Applied Physics Letters. - 1976. -Vol. 28, Issue 2. - P. 88-89.
  • McMichael, I. Correction of polarization and modal scrambling in multimode fibers by phase conjugation / I. McMichael, P. Yeh, P. Beckwith // Optics Letters. - 1987. - Vol. 12, Issue 7. - P. 507-509.
  • Kukhtarev, M.V. Polarized phase conjugation and some principles of parallel information transmission by a fiber/crystal system / M.V. Kukhtarev, A.V. Volyar, A.V. Gnatovsky // Journal of Nonlinear Optical Physics and Materials. - 1993. - Vol. 2, Issue 3. - P. 447-464.
  • Khonina, S.N. Propagation of laser vortex beams in a parabolic optical fiber / S.N. Khonina, A.S. Striletz, A.A. Kovalev, V.V. Kotlyar // Proceedings of SPIE. - 2010. - Vol. 7523. - 75230B (12 p.). - DOI: 10.1117/12.854883.
  • Кириленко, М.С. Вычисление собственных функций ограниченного дробного преобразования Фурье / М.С. Кириленко, Р.О. Зубцов, С.Н. Хонина // Компьютерная оптика. - 2015. - Т. 39, № 3. - С. 332-338. - DOI: 10.18287/0134-2452-2015-39-3-332-338.
  • Khonina, S.N. Optical vortices in a fiber: Mode division multiplexing and multimode self-imaging / S.N. Khonina, N.L. Kazanskiy, V.A. Soifer. - In: Recent progress in optical fiber research / ed. by M. Yasin, S.W. Harun, H. Arof. -Rijeka: InTech, 2012. - P. 327-352. - DOI: 10.5772/28067.
  • Fontaine, N.K Laguerre-Gaussian mode sorter / N.K. Fontaine, R. Ryf, H. Chen, D.T. Neilson, K. Kim, J. Carpenter // Nature Communications. - 2019. - Vol. 10. - P. 1865.
  • Zhu, Z. Single-shot direct tomography of the complete transverse amplitude, phase and polarization structure of a light field / Z. Zhu, D. Hay, Y. Zhou, A. Fyffe, B. Kantor, G.S. Agarwal, R.W. Boyd, Z. Shi // Physical Review Applied. - 2019. - Vol. 12. - 034036.
  • Zhu, Z. Single-shot direct tomography of the complete transverse amplitude, phase and polarization structure of a light field: Supplemental material [Electronical Resource] / Z. Zhu, D. Hay, Y. Zhou, A. Fyffe, B. Kantor, G.S. Agarwal, R.W. Boyd, Z. Shi // Phys. Rev. Applied. - 2019. - Vol. 12. -034036. - URL: https://journals.aps.org/prapplied/ supplemental/10. 1103/PhysRevApplied. 12.034036.
  • Volyar, A.V. Measurement of the vortex spectrum in a vortex beam array without cuts and gluing of the wavefront / A. Volyar, M. Bretsko, Ya. Akimova, Yu. Egorov // Optics Letters. - 2018. - Vol. 43, Issue 22. - P. 5635-5638.
  • Volyar, A.V. Measurement of the vortex and orbital angular momentum spectra with a single cylindrical lens / A. Volyar, M. Bretsko, Ya. Akimova, Yu. Egorov // Applied Optics. - 2019. - Vol. 58, Issue 21. - P. 5748-5755.
  • Volyar, A. Fine structure of perturbed Laguerre-Gaussian beams: Hermite-Gaussian mode spectra and topological charge / A. Volyar, E. Abramochkin, M. Bretsko, Ya. Akimova, Yu. Egorov // Applied Optics. - 2020. -Vol. 59, Issue 25. - P. 7680-7687.
  • Kotlyar, V.V. Propagation of hypergeometric laser beams in a medium with the parabolic refractive index / V.V. Kotlyar, A.A. Kovalev, A.G. Nalimov // Journal of Optics. - 2013. - Vol. 15, Issue 12. - 125706. - DOI: 10.1088/2040-8978/15/12/125706.
  • Snyder, A.W. Optical waveguide theory / A.W. Snyder, J.D. Love. - London: Chapman and Hall Ltd., 1983. - 746 p.
  • Marcuse, D. Losses and impulse response of a parabolic index fiber with random bends / D. Marcuse // The Bell System Technical Journal. - 1973. - Vol. 52, Issue 8. - P. 1423-1437.
  • Абрамочкин, Е.Г. Спиральные пучки света / E.Г. Абрамочкин, В.Г. Волостников // Успехи физических наук. - 2004. - Т. 174, № 12. - С. 1273-1300.
  • Shen, Y. Hybrid topological evolution of multi-singularity vortex beams: generalized nature for helical-Ince-Gaussian and Hermite-Laguerre-Gaussian modes / Y. Shen, Y. Meng, X. Fu, M. Gong // Journal of the Optical Society of America A. - 2019. - Vol. 36, Issue 4. - P. 578-587.
  • Воляр, A.B. Оптические вихри в маломодовых волокнах. II. Спин-орбитальное взаимодействие / AB. Воляр, B.З. Жилайтис, В.Г. Шведов // Оптика и шектроскопия. - 1998. - Т. 86, № 4. - Р. 664-670.
  • Alexeyev, C.N. Transformations of optical vortices in elliptical and anisotropic fibers / C.N. Alexeyev, A.V. Volyar, M.A. Yavorsky // Journal of Optics: Pure and Applied Optics. - 2007. - Vol. 9, Issue 4. - P. 387-394.
  • Ahmad, R. Polarization-maintaining, large-effective-area, higher-order-mode fiber / R. Ahmad, M.F. Yan, J.W. Nicholson, K.S. Abedin, P.S. Westbrook, C. Headley, P.W. Wisk, E.M. Monberg, D.J. DiGiovanni // Optics Letters. - 2017. - Vol. 42, Issue 13. - P. 2591-2594.
  • Eftimov, T.A. Analysis of the polarization behavior of hybrid modes in highly birefringent fibers / T.A. Eftimov, W.J. Bock // Journal of Lightwave Technology. - 1998. -Vol. 16, Issue 6. - P. 998-1005.
  • Ярив, А. Оптические волны в кристалле / А. Ярив, П. Юх. - Москва: Мир, 1987. - 616 c.
  • Wolinski, T.R. I Polarimetric optical fibers and sensors / T.R. Wolinski // Progress in Optics. - 2000. - Vol. 40. - P. 1-75.
  • Varnham, M.P. Fundamental limits to the transmission of linearly polarized light by birefringent optical fibers / M.P. Varnham, D.N. Payne, J.D. Love // Electronic Letters. - 1984. - Vol. 22, Issue 1. - P. 55-56.
  • Goodman, J.W. Statistical optics / J.W. Goodman. - New York: John Wiley and Sons Publication, 2000. - 544 p.
  • Khonina, S.N. Measuring the light field orbital angular momentum using DOE / S.N. Khonina, V.V. Kotlyar, V.A. Soifer, P. Paakkonen, J. Turunen // Optical Memory and Neural Networks. - 2001. - Vol. 10, No. 4. - P. 241-255.
Еще
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp