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

Преобразования структурно устойчивых состояний спиральных пучков под действием секторных возмущений

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

Transformations of structurally stable states of spiral beams subjected to sector perturbations

We investigated conditions for the violation of the structural stability of a spiral beam subject to sector perturbations. Based on the method of computer simulation and measurement of mode spectra, we have shown that a spiral vortex beam has a characteristic caustic surface, the intersection of which sharply changes the shape of the Poynting vector streamlines and the total topological charge of the beam. Sector beam perturbation does not almost change the streamline structure up to scale and rotation. We found that perturbation of the beam causes a change in the direction of circulation of streamlines in the region of perturbation, which is caused by the appearance of vortices with negative topological charges. Their contribution to the total energy flow is fractions of a percent. However, such perturbations do not cause changing the OAM in the beam, despite an increase in the number of vortex modes. Nevertheless, the perturbed beam remains only conditionally structurally stable due to the presence of a small fraction of optical currents with opposite circulations.

Еще

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
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp