(45-2) 03 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Цифровой анализ спекл картины хаотичной композиции мод и восстановление регулярного узора интенсивности после многомодового волокна
А.В. Воляр 1, М.В. Брецько 1, Я.Е. Акимова 1, Ю.А. Егоров 1

1 КФУ им. В.И. Вернадского, Физико-технический институт,
295007, Россия, Республика Крым, г. Симферополь, проспект Академика Вернадского, д. 4

 PDF, 1770 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-831

Страницы: 179-189.

Аннотация:
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.

Ключевые слова:
оптические вихри, структурированный сингулярный пучок, спекл картина.

Благодарности
Исследование выполнено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 20-37-90066 теоретические результаты, грант № 19-29-01233 результаты моделирования, грант № 20-37-90068 экспериментальные исследования, грант №20-47-910002 р_а_Республика Крым параграф со-гласования мод).

Цитирование:
Воляр, А.В. Цифровой анализ спекл картины хаотичной композиции мод и восстановление регулярного узора интенсивности после многомодового волокна / А.В. Воляр, М.В. Брецько, Я.Е. Акимова, Ю.А. Егоров // Компьютерная оптика. – 2021. – Т. 45, № 2. – С. 179-189. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-831.

Citation:
Volyar AV, Bretsko MV, Akimova YE, Egorov YA. Digital analysis of a speckle pattern of chaotic mode composition and restoration of a regular intensity pattern after a multimode fiber. Computer Optics 2021; 45(2): 179-189. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-831.

Литература:
  1. Franson, M. Laser speckle and applications in optics / M. Franson. – London: Academic Press Inc., 1979. – 174 p.
  2. Čižmár, T. In situ wavefront correction and its application to micromanipulation / T. Čižmár, M. Mazilu, K. Dholakia // Nature Photonics. – 2010. – Vol. 4. – P. 388-394.
  3. Plöschner, M. Seeing through chaos in multimode fibres / M. Plöschner, T. Tyc, T. Čižmár // Nature Photonics. – 2015. – Vol. 9. – P. 529-535.
  4. 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.
  5. Yeh, Ch. Handbook of fiber optics: theory and applications / Ch. Yeh. – London: Academic Press Inc., 1990. – 382 p.
  6. Kumar, A. Polarization of light with applications in optical fiber / A. Kumar, A. Chatak. – Washington: SPIE Press, 2011. – 246 p.
  7. Abdullаеv, S.S. The speckle structure of an optical field in multimode waveguides / S.S. Abdullаеv, G.М. Zaslavskii // Kvantovaya Elektronika. – 1987. – Vol. 14, Issue 7. – P. 1475-1484.
  8. 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. Čižmár // Physical Review Letters. – 2018. – Vol. 120. – 233901.
  9. 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.
  10. Čižmár, T. Exploiting multimode waveguides for pure fiber-based imaging / T. Čižmár, K. Dholakia // Nature Communication. – 2012. – Vol. 3. – 1027.
  11. Leonardo, D. Hologram transmission through multi-mode optical fibers / D. Leonardo, S. Bianchi // Optics Express. – 2011. – Vol. 19. – P. 247-254.
  12. Papadopoulos, I.N. 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.
  13. Carpenter, J. 110×110 optical mode transfer matrix inversion / J. Carpenter, B.J. Eggleton, J. Schröder // Optics Express. – 2014. – Vol. 22. – P. 96-101.
  14. Ploschner, M. Seeing through chaos in multimode fibres. Supplementary information [Electronical Resource] / M. Ploschner, T. Tyc, T. Čižmár // Nature Photonics. – 2015. – Vol. 9. – P. 529-535. – URL: https://www.nature.com/articles/nphoton.2015.112.
  15. 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.
  16. 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.
  17. 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.
  18. 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.
  19. Yariv, A. Three-dimensional pictorial transmission in optical fibers / A. Yariv // Applied Physics Letters. – 1976. – Vol. 28, Issue 2. – P. 88-89.
  20. 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.
  21. 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.
  22. 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.
  23. 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.
  24. 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.
  25. 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.
  26. 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.
  27. 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.
  28. 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.
  29. 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.
  30. 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.
  31. 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.
  32. Snyder, A.W. Optical waveguide theory / A.W. Snyder, J.D. Love. – London: Chapman and Hall Ltd., 1983. – 746 p.
  33. 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.
  34. Абрамочкин, Е.Г. Спиральные пучки света / Е.Г. Абрамочкин, В.Г. Волостников // Успехи физических наук. – 2004. – Т. 174, № 12. – С. 1273-1300.
  35. 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.
  36. Воляр, A.В. Оптические вихри в маломодовых волокнах. II. Спин-орбитальное взаимодействие / A.В. Воляр, В.З. Жилайтис, В.Г. Шведов // Оптика и cпектроскопия. – 1998. – Т. 86, № 4. – Р. 664-670.
  37. 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.
  38. 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.
  39. 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.
  40. Ярив, А. Оптические волны в кристалле / А. Ярив, П. Юх. – Москва: Мир, 1987. – 616 c.
  41. Woliński, T.R. I Polarimetric optical fibers and sensors / T.R. Woliński // Progress in Optics. – 2000. – Vol. 40. – P. 1-75.
  42. 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.
  43. Goodman, J.W. Statistical optics / J.W. Goodman. – New York: John Wiley and Sons Publication, 2000. – 544 p.
  44. 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.

© 2009, IPSI RAS
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: ko@smr.ru ; тел: +7 (846) 242-41-24 (ответственный секретарь), +7 (846) 332-56-22 (технический редактор), факс: +7 (846) 332-56-20