Методы определения орбитального углового момента лазерного пучка
Автор: Котляр Виктор Викторович, Ковалв Алексей Андреевич, Порфирьев Алексей Петрович
Журнал: Компьютерная оптика @computer-optics
Рубрика: Дифракционная оптика, оптические технологии
Статья в выпуске: 1 т.43, 2019 года.
Бесплатный доступ
Предложены и исследованы численно и экспериментально два метода определения орбитального углового момента параксиальных лазерных пучков. Один метод основан на регистрации интенсивности в зоне Френеля, численном усреднении этой интенсивности по углу на дискретных радиусах и решении линейной системы уравнений для нахождения квадратов модулей коэффициентов разложения светового поля по базисным функциям. Другой метод основан на регистрации двух распределений интенсивности в Фурье-плоскости двух цилиндрических линз, повернутых друг относительно друга на 90°, и вычислении моментов первого порядка для измеренных интенсивностей. Экспериментальная ошибка определения небольших дробных значений орбитального углового момента (до 4) - около 1 %, а для больших дробных значений (до 30) - около 8 %.
Параксиальный лазерный пучок, дробный орбитальный угловой момент, дробный топологический заряд, оптический вихрь, цилиндрическая линза, суперпозиция пространственных мод
Короткий адрес: https://sciup.org/140243266
IDR: 140243266 | DOI: 10.18287/2412-6179-2019-43-1-42-53
Methods for determining the orbital angular momentum of a laser beam
We propose and study numerically and experimentally two methods for determining the orbital angular momentum (OAM) of paraxial laser beams. One method is based on registering the intensity in the Fresnel zone, numerically averaging this intensity over the polar angle at discrete radii, and solving a system of linear equations to find squared modules of the coefficients of the light field expansion in terms of basis functions. The other method is based on registering two intensity distributions in the Fourier plane of two cylindrical lenses rotated 90 degrees relative to each other, and calculating the first-order moments of the measured intensities. The experimental error of the OAM determination is about 1% for small fractional OAM (up to 4), and about 8% for large fractional OAM (up to 30).
Список литературы Методы определения орбитального углового момента лазерного пучка
- Wang, J. Advances in communications using optical vortices/J. Wang//Photonics Research. -2016. -Vol. 4, Issue 5. -P. B14-B28. - DOI: 10.1364/PRJ.4.000B14
- Wang, Z. Orbital angular momentum beams generated by passive dielectric phase masks and their performance in a communication link/Z. Wang, Y. Yan, A. Arbabi, G. Xie, C. Liu, Z. Zhao, Y. Ren, L. Li, N. Ahmed, A.J. Willner, E. Arbabi, A. Faraon, R. Bock, S. Ashrafi, M. Tur, A.E. Willner//Optics Letters. -2017. -Vol. 42, Issue 14. -P. 2746-2749. - DOI: 10.1364/OL.42.002746
- Wang, X. Recent advances on optical vortex generation/X. Wang, Z. Nie, Y. Liang, J. Wang, T. Li, B. Jia//Nanophotonics. -2018. -Vol. 7, Issue 9. -P. 1533-1556. - DOI: 10.1515/nanoph-2018-0072
- Gbur, G.J. Singular optics//G.J. Gbur. -Boca Raton: CRC Press, 2016. -545 p. -ISBN: 978-1-4665-8077-0.
- Kotlyar, V.V. Vortex laser beams/V.V. Kotlyar, A.A. Kovalev, A.P. Porfirev. -Boca Raton: CRC Press, 2018. -404 p. -ISBN: 978-1-1385-4211-2.
- Khonina, S.N. Experimental selection of spatial Gauss-Laguerre modes/S.N. Khonina, V.V. Kotlyar, R.V. Skidanov, V.A. Soifer, P. Laakkonen, J. Turunen, Y. Wang//Optical Memory & Neural Networks. -2000. -Vol. 9, Issue 1. -P. 73-82.
- Khonina, S.N. An analysis of the angular momentum of a light field in terms of angular harmonics/S.N. Khonina, V.V. Kotlyar, V.A. Soifer, P. Pääkkönen, J. Simonen, J. Turunen//Journal of Modern Optics. -2001. -Vol. 48, Issue 10. -P. 1543-1557. -
- DOI: 10.1080/09500340108231783
- Ruffato, G. Test of mode-division multiplexing and demultiplexing in free-space with diffractive transformation optics/G. Ruffato, M. Massari, G. Parisi, F. Romanato//Optics Express. -2017. -Vol. 25, Issue 7. -P. 7859-7868. -
- DOI: 10.1364/OE.25.007859
- Li, Y. Orbital angular momentum multiplexing and demultiplexing by a single metasurface/Y. Li, X. Li, L. Chen, M. Pu, J. Jin, M. Hong, X. Luo//Advanced Optical Materials. -2016. -Vol. 5, Issue 2. -1600502. -
- DOI: 10.1002/adom.201600502
- Bekshaev, A.Ya. Optical vortex symmetry breakdown and decomposition of the orbital angular momentum of light beams/A.Ya. Bekshaev, M.S. Soskin, M.V. Vasnetsov//Journal of the Optical Society of America A. -2003. -Vol. 20, Issue 8. -P. 1635-1643. -
- DOI: 10.1364/JOSAA.20.001635
- Denisenko, V. Determination of topological charges of polychromatic optical vortices/V. Denisenko, V. Shvedov, A.S. Desyatnikov, D.N. Neshesv, W. Krolikowski, A. Volyar, M. Soskin, Y.S. Kivshar//Optics Express. -2009. -Vol. 17, Issue 26. -P. 23374-23379. -
- DOI: 10.1364/OE.17.023374
- 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
- Alperin, S.N. Quantitative measurement of the orbital angular momentum of light with a single, stationary lens/S.N. Alperin, R.D. Niederriter, J.T. Gopinath, M.E. Siemens//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, M.E. Siemens//Physical Review Letters. -2017. -Vol. 119, Issue 20. -203902. -
- DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.203902
- Liu, Z. Measuring high-order optical orbital angular momentum with a hyperbolic gradually changing period pure-phase grating/Z. Liu, S. Gao, W. Xiao, J. Yang, X. Huang, Y. Feng, J. Li, W. Liu, Z. Li//Optics Letters. -2018. -Vol. 43, Issue 13. -P. 3076-3079. -
- DOI: 10.1364/OL.43.003076
- Maji, S. Controlled noncannonical vortices from higher-order fractional screw dislocations/S. Maji, M.M. Brundavanam//Optics Letters. -2017. -Vol. 42, Issue 12. -P. 2322-2325. -
- DOI: 10.1364/OL.42.002322
- D'Errico, A. Measuring the complex orbital angular momentum spectrum and spatial mode decomposition of spectrum light beams/A. D'Errico, R. D'Amelio, B. Piccirillo, F. Cardano, L. Marrucci//Optica. -2017. -Vol. 4, Issue 11. -P. 1350-1357. -
- DOI: 10.1364/OPTICA.4.001350
- Kotlyar, V.V. Astigmatic laser beams with a large orbital angular momentum/V.V. Kotlyar, A.A. Kovalev, A.P. Porfirev//Optics Express. -2018. -Vol. 26, Issue 1. -P. 141-156. -
- DOI: 10.1364/OE.26.000141
- Melo, L.A. Direct measurement of the topological charge in elliptical beams using diffraction by a triangular aperture/L.A. Melo, A.J. Jesus-Silva, S. Chavez-Cedra, P.H.S. Ribeiro, W.C. Soares//Scientific Reports. -2018. -Vol. 8. -6370. -
- DOI: 10.1038/s41598-018-24928-5
- Gao, H. Topological charge measurement of concentric OAM states using the phase-shift method/H. Gao, Y. Han, Y. Li, D. Zhu, M. Sun, S. Yu//Journal of the Optical Society of America A. -2018. -Vol. 35, Issue 1. -P. A40-A44. -
- DOI: 10.1364/JOSAA.35.000A40
- 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
- Siegman, A.E. Lasers/A.E. Siegman. -Mill Valley, CA: University Science Books, 1986. -1283 p. -ISBN: 978-0-935702-11-8.
- Xie, Z. Integrated (de)multiplexer for orbital angular momentum fiber communication/Z. Xie, S. Gao, T. Lei, S. Feng, Y. Zhang, F. Li, J. Zhang, Z. Li, X. Yuan//Photonics Research. -2018. -Vol. 6, Issue 7. -P. 743-749. -
- DOI: 10.1364/PRJ.6.000743
- Gori, F. Bessel-Gauss beams/F. Gori, G. Guattari, C. Padovani//Optics Communications. -1987. -Vol. 64, Issue 6. -P. 491-495. -
- DOI: 10.1016/0030-4018(87)90276-8
- Berry, M.V. Optical vortices evolving from helicoidal integer and fractional phase steps/M.V. Berry//Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. -2004. -Vol. 6, Issue 2. -P. 259-268. -
- DOI: 10.1088/1464-4258/6/2/018
- Götte, J.B. Quantum formulation of fractional orbital angular momentum/J.B. Götte, S. Franke-Arnold, R. Zambrini, S.M. Barnett//Journal of Modern Optics. -2007. -Vol. 54, Issue 12. -P. 1723-1738. -
- DOI: 10.1080/09500340601156827
- Kotlyar, V.V. Asymmetric Bessel modes/V.V. Kotlyar, A.A. Kovalev, V.A. Soifer//Optics Letters. -2014. -Vol. 39, Issue 8. -P. 2395-2398. -
- DOI: 10.1364/OL.39.002395
- Прудников, А.П. Интегралы и ряды. Том 2. Специальные функции/А.П. Прудников, Ю.А. Брычков, О.И. Маричев -М.: Наука, 1983. -752 с.
