Преобразования структурно устойчивых состояний спиральных пучков под действием секторных возмущений

Автор: Воляр Александр Владимирович, Акимова Яна Евгеньевна

Журнал: Компьютерная оптика @computer-optics

Рубрика: Дифракционная оптика, оптические технологии

Статья в выпуске: 6 т.45, 2021 года.

Бесплатный доступ

Исследовались условия нарушения структурной устойчивости спирального пучка, подверженного секторным возмущениям. На основе метода компьютерного моделирования и измерения спектров мод показано, что спиральный вихревой пучок имеет характерную каустическую поверхность, пересечение которой непрозрачным сектором резко изменяет форму линий тока вектора Пойнтинга и полный топологический заряд пучка. Секторное возмущение пучка почти не изменяет структуру линий тока с точностью до масштаба и поворота. Мы обнаружили, что возмущение пучка вызывает изменение направления циркуляции линий тока в области возмущения, которым вызваны появления вихрей с отрицательными топологическими зарядами. Их вклад в общий поток энергии составляет доли процента. Однако значимого изменения орбитального углового момента в пучке такие возмущения не вызывают, несмотря на рост числа вихревых мод. Тем не менее возмущенный пучок остается только условно структурно устойчивым из-за наличия малой доли оптических токов с противоположной циркуляцией.

Еще

Структурная устойчивость, спиральный пучок, спектр вихрей, линии тока

Короткий адрес: https://sciup.org/140290276

IDR: 140290276 | DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1009

Список литературы Преобразования структурно устойчивых состояний спиральных пучков под действием секторных возмущений

Forbes, A. Structured light tailored for purpose / A. Forbes // Optics and Photonics News. - 2020. - Vol. 31, Issue 6. -P. 24-31. - DOI: 10.1364/0PN.31.6.000024.
Shen, Y. Optical vortices 30 years on: OAM manipulation from topological charge to multiple singularities / Y. Shen, X. Wang, Z. Xie, C. Min, X. Fu, Q. Liu, M. Gong, X. Yuan // Light: Science & Applications. - 2019. - Vol. 8. - 90. -DOI: 10.1038/s41377-019-0194-2.
Forbes, A. Structured light / A. Forbes, M. de Oliveira, M.R. Dennis // Nature Photonics. - 2021. - Vol. 15.-P. 253-262. - DOI: 10.1038/s41566-021-00780-4.
Willner, A.E. OAM light for communications / A.E. Willner // Optics and Photonics News. - 2021. -Vol. 32, Issue 6. - P. 34-41. - DOI: 10.1364/OPN.32.6.000034.
Erhard, M. Twisted photons: New quantum perspectives in high dimensions / M. Ergard, R. Fickler, M. Krenn, A. Zeilinger // Light: Science & Applications. - 2018. -Vol. 7. - 17146. - DOI: 10.1038/lsa.2017.146.
Marrucci, L. Spin-to-orbital conversion of the angular momentum of light and its classical and quantum applications / L. Marrucci, E. Karimi, S. Slussarenko, B. Piccirillo, E. Santamato, E. Nagali, F. Sciarrino // Journal of Optics. -2011. - Vol. 13, Issue 6. - 064001. - DOI: 10.1088/20408978/13/6/064001.
Rubinsztein-Dunlop, H. Roadmap on structured light / H. Rubinsztein-Dunlop, A. Forbes, M.V. Berry, M.R. Dennis, D.L. Andrews, M. Mansuripur, C. Denz, C. Alpmann, P. Banzer, T. Bauer, E. Karimi, L. Marrucci, M. Padgett, M. Ritsch-Marte, N.M. Litchinitser, N.P. Bigelow, C. Rosales-Guzman, A. Belmonte, J.P. Torres, T.W. Neely, M. Baker, R. Gordon, A.B. Stilgoe, J. Romero, A.G. White, R. Fickler, A.E. Willner, G. Xie, B. McMorran, A.M. Weiner // Journal of Optics. - 2017. -Vol. 19, Issue 1. - 013001. - DOI: 10.1088/20408978/19/1/013001.
Shen, Y. Structured ray-wave vector vortex beams in multiple degrees of freedom from a laser / Y. Shen, X. Yang, D. Naidoo, X. Fu, A. Forbes // Optica. - 2020. - Vol. 7, Issue 7. - P. 820-831. - DOI: 10.1364/OPTICA.414397.
Dennis, M.R. Gaussian mode families from systems of rays / M.R. Dennis, M.A. Alonso // Journal of Physics: Photonics. - 2019. - Vol. 1, Issue 2. - 025003. - DOI: 10.1088/2515-7647/ab011d.
Wan, Z. Digitally tailoring arbitrary structured light of generalized ray-wave duality / Z. Wan, Z. Wang, X. Yang, Y. Chen, X. Fu // Optical Express. - 2020. - Vol. 28, Issue 21. - P. 31043-31056. - DOI: 10.1364/OE.400587.
Volyar, A. Fine structure of perturbed Laguerre-Gaussian beams: Hermite-Gaussian mode spectra and topological charge / A. Volyar, E. Abramochkin, Yu. Egorov, M. Bretsko, Ya. Akimova // Applied Optics. - 2020. -Vol. 59, Issue 25. - P. 7680-7687. - DOI: 10.1364/AO.396557.
Izdebskaya, Y. Symmetric array of off-axis singular beams: spiral beams and their critical points / Y. Izdebskaya, V. Shvedov, A. Volyar // Journal of the Optical Society of America A. - 2008. - Vol. 25, Issue 1. - P. 171-181. - DOI: 10.1364/JOSAA.25.000171.
Shen, Y. SU (2) Poincare sphere: A generalized representation for multidimensional structured light / Y. Shen, Z. Wang, X. Fu, D. Naidoo, A. Forbes // Physical Review A. - 2020. - Vol. 102, Issue 3. - 031501. - DOI: 10.1103/PhysRevA.102.031501.
Alonso, M. A ray-optical Poincare sphere for structured Gaussian beams / M. Alonso, M. Dennis // Optica. - 2016. -Vol. 4, Issue 4. - P. 476-486. - DOI: 10.1364/OPTICA.4.000476.
Gutierrez-Cuevas, R. Modal Majorana sphere and hidden symmetries of structured-Gaussian beams / R. Gutierrez-Cuevas, S.A. Wadood, A.N. Vamivakas, M.A. Alonso // Physical Review Letters. - 2020. - Vol. 125. - 123903. -P. 12-18. - DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.123903.
Gutierrez-Cuevas, R. Platonic Gaussian beams: wave and ray treatment / R. Gutierrez-Cuevas, M.A. Alonso // Optical Letters - 2020. - Vol. 45, Issue 24. - P. 6759-6762. - DOI: 10.1364/OL.405988.
Chen, R.-P. Structured caustic vector vortex optical field: manipulating optical angular momentum flux and polarization rotation / R.-P. Chen, Z. Chen, K.-H. Chew, P.-G. Li, Z. Yu, J. Ding, S. He // Scientific Reports. - 2015. - Vol. 5, Issue 1. - 10628. - DOI: 10.1038/srep10628.
Zannotti, A. Shaping caustics into propagation invariant light / A. Zannotti, C. Denz, M.A. Alonso, M.R. Dennis // Nature Communications. - 2020. - Vol. 11. - 3597. - DOI: 10.1038/s41467-020-17439-3.
Soifer, V.A. Spiral caustics of vortex beams / V.A. Soifer, S.I. Kharitonov, S.N. Khonina, Yu.S. Strelkov, A.P. Porfirev // Photonics. - 2021. - Vol. 8, Issue 1. - 24. -DOI: 10.3390/photonics8010024.
Сойфер, В.А. Каустики вихревых оптических пучков / B.А. Сойфер, С.И. Харитонов, С.Н. Хонина,C.Г. Волотовский // Доклады Академии Наук. - 2019. -Т. 487, № 2. - С. 135-139. - DOI: 10.31857/S0869-56524872135-139.
Thom, R. Structural stability and morphogenesis / R. Thom. -Readind, MA: W.A. Benjamin, Inc., 1975. - 392 p.
Poston, T. Catastrophe theory and its applications / T. Poston, I. Stewart. - London: Pitman, 1978. - 491 p.
Nye, J.F. Natural focusing and fine structure of light: caustics and wave dislocations / J.F. Nye. - Bristol: Institute of Physics, 1999. - 328 p. - ISBN: 0-7503-0610-6.
Dynamical Systems V: Bifurcation theory and catastrophe theory / ed. by V.I. Arnold. - Berlin, Heidelberg: SpringerVerlag, 1994. - 274 p. - ISBN: 978-3-540-65379-0.
Abramochkin, E. Spiral-type beams: optical and quantum aspects / E. Abramochkin, V. Volostnikov // Optical Communications. - 1996. - Vol. 125, Issues 4-6. - P. 302-323. -DOI: 10.1016/0030-4018(95)00640-0.
Абрамочкин, Е.Г. Спиральные пучки света / Е.Г. Абрамочкин, В.Г. Волостников // Успехи физических наук. - 2004. - Т. 174. - С. 1273-1300. - DOI: 10.3367/UFNr.0174.200412a.1273.
Berry, M.V. The elliptic umbilic diffraction catastrophe / M.V. Berry, J.F. Nye, F.J. Wright // Philosophical Transactions of the Royal Society of London: Series A, Mathematical and Physical Sciences. - 1979. - Vol. 291. - P. 453-484. - DOI: 10.1098/rsta.1979.0039.
Nye, J.F. Dislocation lines in the hyperbolic umbilic diffraction catastrophe / J.F. Nye // Proceedings of the Royal Society A. - 2006. - Vol. 462, Issue 2072. -P. 2299-2313. -DOI: 10.1098/rspa.2006.1683.
O'Holleran, K Topology of light's darkness / K. O'Holleran, M.R. Dennis, M.J. Padgett // Physical Review Letters. - 2009. - Vol. 102, Issue 14. - 143902. -DOI: 10.1103/Phy sRevLett.102.143902.
Volyar, A. Geometry of spiral beams: 3D curved structured vortex beams and optical currents / A. Volyar, E. Abramochkin, E. Razueva, M. Bretsko, Ya. Akimova // Journal of Optics. - 2021. - Vol. 23, Issue 4. - 044003. -DOI: 10.1088/2040-8986/abed5c.
Абрамочкин, Е.Г. Современная оптика гауссовых пучков / Е.Г. Абрамочкин, В.Г. Волостников. - М.: Физма-тлит, 2010. - 184 с. - ISBN: 978-5-9221-1216-1.
Razueva, E. Multiple-twisted spiral beams / E. Razueva, E. Abramochkin // Journal of the Optical Society of America A. - 2019. - Vol. 36, Issue 6. - P. 1089-1097. - DOI: 10.1364/JOSAA.36.001089.
Volyar, A.V. Rotation of the wavefront of an optical vortex in free space / A.V. Volyar, V.G. Shvedov, T.A. Fadeeva // Technical Physics Letters. - 1999. - Vol. 25, Issue 3. -P. 203-206. - DOI: 10.1134/1.1262423.
Padgett, M.J. The Poynting vector in Laguerre-Gaussian laser modes / M.J. Padgett, L. Allen // Optical Communications. - 1995. - Vol. 121, Issues 1-3. - P. 6-40. - DOI: 10.1016/0030-4018(95)00455-H.
Kotlyar, V.V. Topological charge of a linear combination of optical vortices: topological competition / V.V. Kotlyar, A.A. Kovalev, A.V. Volyar // Optical Express. - 2020. -Vol. 28, Issue 6. - P. 8266-8281. - DOI: 10.1364/OE.386401.
Volyar, A. Orbital angular momentum and informational entropy in perturbed vortex beams / A. Volyar, M. Bretsko, Ya. Akimova, Yu. Egorov // Optical Letters. - 2019. -Vol. 44, Issue 29. - P. 5687-5680. - DOI: 10.1364/OL.44.005687.
Berry, M.V. Optical currents / M.V. Berry // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. - 2009. - Vol. 11, Issue 9. - 004001. - DOI: 10.1088/1464-4258/11/9/094001.
Berry, M.V. Stream function for optical energy flow / M.V. Berry, M.R. Dennis // Journal of Optics. - 2011. -Vol. 13, Issue 6. - 064004. - DOI: 10.1088/20408978/13/6/064004.
Volyar, A. Measurement of the vortex and orbital angular momentum spectra with a single cylindrical lens / A. Volyar, M. Bretsko, Y. Akimova, Y. Egorov // Applied Optics. - 2019. - Vol. 58, Issue 21. - P. 5748-5755. - DOI: 10.1364/AO.58.005748.

Еще

Статья научная