Научные статьи \ Прикладные науки. Медицина. Технология \ Инженерное дело. Техника в целом \ Общее машиностроение. Ядерная технология. Электротехника. Технология машиностроения \ Электротехника

Формирование и анализ спектров оптических вихрей сингулярных пучков с аномалиями орбитального углового момента

Формирование и анализ спектров оптических вихрей сингулярных пучков с аномалиями орбитального углового момента

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: 4 т.43, 2019 года.

Бесплатный доступ

В работе представлен новый метод измерения вырожденных спектров оптических вихрей и орбитального углового момента сингулярных пучков. Метод основан на измерении моментов интенсивности высших порядков пучка, содержащих вихри как с положительными, так и отрицательными топологическими зарядами. Соответствующий выбор амплитуд вихревых мод комбинированного пучка формирует в спектре орбитального углового момента аномальные зоны в виде резонансных провалов и всплесков. Поскольку моменты интенсивности для вихрей с положительными и отрицательными топологическими зарядами одинаковы для осесимметричного пучка, то симметрию пучка потребовалось нарушить, так что измерения проводились в плоскости двойного фокуса цилиндрической линзы. Калибровочные измерения показали, что погрешность эксперимента не выше 4,5 %. При измерении вырожденных спектров вихрей комбинированного сингулярного пучка было обнаружено, что провалы и всплески в спектре орбитального углового момента вызваны лавиной вихрей, индуцированной слабыми возмущениями голографической решётки, ответственной за формирование пучка. Возникновение провалов или всплесков орбитального углового момента регулируется соотношением между потоками энергии в лавине вихрей с положительными или отрицательными топологическими зарядами.

Еще

Дифракционная оптика, обработка изображения, лавина оптических вихрей, орбитальный угловой момент, моменты интенсивности

Короткий адрес: https://sciup.org/140246481

IDR: 140246481   |   DOI: 10.18287/2412-6179-2019-43-4-517-527

Shaping and processing the vortex spectra of singular beams with anomalous orbital angular momentum

The article examines physical mechanisms responsible for shaping the vortex avalanche induced by a weak perturbation of the holographic lattice of a combined vortex beam. For this, we have developed a new technique for measuring the degenerate spectra of optical vortices and orbital angular momentum of combined singular beams. The technique is based on measuring the intensity moments of higher orders of a beam containing vortices with both positive and negative topological charges. The appropriate choice of the mode amplitudes in the combined beam enables us to form orbital angular momentum anomalous spectral regions in the form of resonance dips and bursts. Since the intensity moments of a vortex mode with positive and negative topological charges are the same (the moments are degenerate) for an axially symmetric beam, the measurements are carried out in the plane of the double focus of a cylindrical lens. The calibration measurements show that the experimental error is not higher than 4.5 %. We also reveal that the dips and bursts in the orbital angular momentum spectrum are caused by the vortex avalanche induced by weak perturbations of the holographic grating relief responsible for the beam shaping. The appearance of the orbital angular momentum dips or bursts is controlled by the relation between the energy fluxes in the vortex avalanche with positive or negative topological charges.

Еще

Список литературы Формирование и анализ спектров оптических вихрей сингулярных пучков с аномалиями орбитального углового момента

  • Soifer, V.A. Laser beam mode selection by computer-generated holograms / V.A. Soifer, M.A. Golub. - Boca Raton: CRC Press, 1994. - 215 p. - ISBN: 978-0-8493-2476-5
  • Kotlyar, V.V. Vortex laser beams / V.V. Kotlyar, A.A. Kovalev, A.P. Porfirev. - Boca Raton, London, New York: Taylor & Francis Group, 2018. - 404 p. - ISBN: 978-1-138-54211-2
  • Berry, M.V. Paraxial beams of spinning light. Proceedings of SPIE. - 1998. - Vol. 3487. - P. 6-11. - DOI: 10.1117/12.317704
  • 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 (Information Optics). - 2001. - Vol. 10, Issue 4. - P. 241-255.
  • Khonina, S.N. Generation and selection of laser beams represented by a superposition of two angular harmonics / S.N. Khonina, V.V. Kotlyar, V.A. Soifer, K. Jefimovs, J. Turunen // Journal of Modern Optics. - 2004. - Vol. 51, Issue 5. - P. 761-773. - DOI: 10.1080/09500340408235551
  • Khonina, S.N. Optical vortices in a fiber: mode division multiplexing and multimode selfimaging / 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. - Chap. 15. - Rijeka, Croatia: InTech Open, 2012. - P. 327-352. -
  • DOI: 10.5772/28067
  • Gbur, G.J. Singular optics / G.J. Gbur. - New York: CRC Press, 2016. - 545 p. -
  • ISBN: 978-1-4665-8077-0
  • Lavery, M.P.J. Measurement of the light orbital angular momentum spectrum using an optical geometric transformation / M.P.J. Lavery, G.C.G. Berkhout, J. Courtial, M.J. Padgett // Journal of Optics. - 2011. - Vol. 13, Issue 6. - 064006.
  • Berkhout, G.C.G. Efficient sorting of orbital angular momentum states of light / G.C.G. Berkhout, M.P.J. Lavery, J. Courtial, M.W. Beijersbergen, M.J. Padgett // Physical Review Letters. - 2010. - Vol. 105. - 153601.
  • 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. -
  • DOI: 10.1364/OL.43.005635
  • Alperin, S.N. Quantitative measurement of the orbital angular momentum of light with a single, stationary lens / S.N. Alperin, R.D. Niederiter, J.T. Gopinath, K.E. Siements // Optics Letters. - 2016. - Vol. 41, Issue 21. - P. 5019-5022. -
  • DOI: 10.1364/OL.41.005019
  • Alperin, S.N. Angular momentum of topologically structured darkness / S.N. Alperin, K.E. Siements // Physical Review Letters. - 2017. - Vol. 119. - 203902.
  • Котляр, В.В. Методы определения орбитального углового момента лазерного пучка / В.В. Котляр, А.А. Ковалёв, А.П. Порфирьев // Компьютерная оптика. - 2019. - Т. 43, № 1. - С. 42-53. -
  • DOI: 10.18287/2412-6179-2019-43-1-42-53
  • Flusser, J. Moments and moment invariants in pattern recognition / J. Flusser, S. Tomáš, B. Zitová. - New York: John Wiley & Sons, 2009.
  • Fu, S. Influences of atmospheric turbulence effects on the orbital angular momentum spectra of vortex beams / S. Fu, Ch. Gao // Photonics Research. - 2016. - Vol. 4, Issue 5. - P. B1-B4.
  • Kaiser, T. Complete modal decomposition for optical fibers using CGH-based correlation filters / T. Kaiser, D. Flamm, S. Schröter, M. Duparré // Opt Express. - 2009. - Vol. 17. - 9347-9356.
  • Kotlyar, V.V. Astigmatic transforms of an optical vortex for measurement of its topological charge / V.V. Kotlyar, A.A. Kovalev, A.P. Porfirev // Applied Optics. - 2017. - Vol. 56, Issue 14. - P. 4095-4110. -
  • DOI: 10.1364/AO.56.004095
  • Abramochkin, E. General astigmatic transform of Hermite-Laguerre-Gaussian beams / E. Abramochkin, E. Razueva, V. Volostnikov // Journal of the Optical Society of America A. - 2010. - Vol. 27, Issue 11. - P. 2506-2513.
  • Prudnikov, A.P. Integrals and series, elementary functions / A.P. Prudnikov, Y.A. Brychkov, O.I. Marichev. - New York: Gordon and Breach, 1986. - 708 p.
  • Воляр, А.В. По ту сторону интенсивности или моменты интенсивности и измерение спектра оптических вихрей сложных пучков / А.В. Воляр, М.В. Брецько, Я.Е. Акимова, Ю.А. Егоров // Компьютерная оптика. - 2018. - Т. 42, № 5. - С. 736-743. -
  • DOI: 10.18287/2412-6179-2017-42-5-736-743
  • Воляр, А.В. Лавинная неустойчивость орбитального углового момента оптических вихрей высших порядков / А.В. Воляр, М.В. Брецько, Я.Е. Акимова, Ю.А. Егоров // Компьютерная оптика. - 2019. - Т. 43, № 1. - С. 14-24. -
  • DOI: 10.18287/2412-6179-2019-43-1-14-24
  • Volyar, A.V. Super pulses of orbital angular momentum in fractional-order spiroid vortex beams / A.V. Volyar, Yu.A. Egorov // Optics Letters. - 2018. - Vol. 43, Issue 1. - P. 74-77. -
  • DOI: 10.1364/OL.43.000074
  • Котляр, В.В. Лазерные пучки Эрмита-Гаусса с орбитальным угловым моментом / В.В. Котляр, А.А. Ковалёв, А.П. Порфирьев // Компьютерная оптика. - 2014. - Т. 38, № 4. - С. 651-656.
Еще
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp