(45-4) 01 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Структурная устойчивость спиральных пучков и тонкая структура потока энергии
А.В. Воляр 1, Е.Г. Абрамочкин 2, Е.В. Разуева 2, Я.Е. Акимова 1, М.В. Брецько 1

1 Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского, Физико-технический институт,
295007, Россия, Республика Крым, Симферополь, проспект академика Вернадского, д. 4,
2 Самарский филиал Физического института имени П.Н. Лебедева Российской академии наук,
443011, Россия, Самара, ул. Ново-Садовая, д. 221

 PDF, 2146 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-885

Страницы: 482-489.

Аннотация:
Проблема структурной устойчивости волновых систем с многими степенями свободы непосредственно касается вопроса перераспределения потоков энергии в структурированных вихревых пучках, обеспечивающих их устойчивость при распространении и фокусировке. Особое место в этом многообразии занимают спиральные вихревые пучки, способные отображать сложные фигуры, буквы и даже слова. Спиральные пучки содержат бесконечное множество пучков Лагерра–Гаусса со строгой последовательностью топологических зарядов и радиальных чисел, их амплитуды и фазы жестко согласованы.
     Используя сочетание теории и компьютерного моделирования, подкрепленное экспериментом, мы проанализировали структуру критических точек в потоках энергии для двух основных типов спиральных пучков: треугольные пучки с нулевым радиальным числом и треугольные пучки со сложным обрамлением их граней и с обоими квантовыми числами. Структурная устойчивость обеспечивается триадами критических точек, как внутри, так и во внешней области треугольника, которые направляют световой поток вдоль треугольной образующей и удерживают обрамление при вращении пучка. Эксперимент показал, что простой треугольный спиральный пучок оказывается устойчивым даже при небольших неточностях юстировки, тогда как сложный треугольный пучок с обрамлением требует тщательной юстировки.

Ключевые слова:
оптические вихри, спиральные пучки, оптические потоки.

Благодарности
Работа выполнена при поддержке РФФИ и Совета министров Республики Крым (проекты № 20-47-910002 в части «Теоретические результаты», № 20-37-90066, № 19-29-01233 в части «Методы измерения спектра оптических вихрей», № 20-37-90068 в части «Экспериментальные результаты»).

Цитирование:
Воляр, А.В. Структурная устойчивость спиральных пучков и тонкая структура потока энергии / А.В. Воляр, Е.Г. Абрамочкин, Е.В. Разуева, Я.Е. Акимова, М.В. Брецько // Компьютерная оптика. – 2021. – Т. 45, № 4. – С. 482-489. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-885.

Citation:
Volyar AV, Abramochkin EG, Razueva EV, Akimova YE, Bretsko MV. Structural stability of spiral beams and fine structure of an energy flow. Computer Optics 2021; 45(4): 482-489. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-885.

Литература:
  1. Abramochkin, E. Spiral-type beams: optical and quantum aspects / E. Abramochkin, V. Volostnikov // Optics Communications. – 1996. – Vol. 125. – P. 302-323. – DOI: 10.1364/OPN.31.6.000024.
  2. Forbes, A. Structured light tailored for purpose / A. Forbes // Optics & Photonics News. – 2020. – Vol. 6. – P. 24-31. – DOI: 10.1364/OPN.31.6.000024.
  3. Nye, J.F. Dislocations in wave trains / J.F. Nye, M.V. Berry // Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences. – 1974. – Vol. 336. – P. 165-190. – DOI: 10.1098/rspa.1974.0012.
  4. Baranova, N.B. Wave-front dislocations: topological limitations for adaptive systems with phase conjugation / N.B. Baranova, A.Y. Mamaev, N.F. Pilipetsky, V.V. Shku­nov, B.Ya. Zel'dovich // Journal of Optical Society of America. – 1983. – Vol. 73, Issue 5. – P. 525-528. – DOI: 10.1364/JOSA.73.000525.
  5. Баженов, В.Ю. Лазерные пучки с винтовыми дислокациями волнового фронта / В.Ю. Баженов, М.В. Васнецов, М.С. Соскин // Письма в ЖЭТФ. – 1990. – Т. 52. – С. 1037-1039.
  6. Soskin, M.S. Singular optics / M.S. Soskin, M.V. Vasnetsov // Progress in Optics. – 2001. – Vol. 42. – P. 219-276.
  7. 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-Guzmán, 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. – 013001. – DOI: 10.1088/2040-8978/19/1/013001.
  8. 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.
  9. Abramochkin, E.G. Application of spiral laser beams for beam shaping problem / E.G. Abramochkin, E.V. Razueva, V.G. Volostnikov // Current Research in Optics and Photonics: Selected Papers from the International Conference on Advanced Optoelectronics & Lasers (LFNM-2005). – 2006. – Vol. 6. – P. 275-278. DOI: 10.1109/LFNM.2006.252042.
  10. Afanasiev, K.N. Vortical laser tweezers with predetermined intensity structure / K.N. Afanasiev, E.G. Abramochkin, A.V. Korobtsov, S.P. Kotova, N.N. Losevsky, E.V. Razu­eva, V.G. Volostnikov // Proceedings of SPIE. – 2007. – Vol. 6644. – 664410. – DOI: 10.1117/12.733864.
  11. Grover, G. Real-time adaptive drift correction for superresolution localization microscopy / G. Grover, W. Mohrman, R. Piestun // Optics Express. – 2015. – Vol. 23. – P. 23887-23898.
  12. Rodrigo, J.A. Shaping of light beams along curves in three dimensions / J.A. Rodrigo, T. Alieva, E. Abramochkin, I. Castro // Optics Express. – 2013. – Vol. 21. – P. 20544-20555. – DOI: 10.1364/OE.21.020544.
  13. Dennis, M.R. Isolated optical vortex knots / M.R. Dennis, R.P. King, B. Jack, K. O'Holleran, M.J Padgett // Nature Physics. – 2010. – Vol. 6. – P. 118-121. – DOI: 10.1038/nphys1504.
  14. Абрамочкин Е.Г. Спиральные пучки света / Е.Г. Абрамочкин, В.Г. Волостников // Успехи физических наук. – 2004. – Т. 47, № 12. – P. 1273-1300. – DOI: 10.3367/UFNr.0174.200412a.1273.
  15. Razueva, E. Multiple-twisted spiral beams / E. Razueva, E. Abramochkin // Journal of Optical Society of America A. – 2019. – Vol. 36, Issue 6. – P. 1089-1097. – DOI: 10.1364/JOSAA.36.001089.
  16. Päakkönen P. Rotating optical fields: experimental demonstration with diffractive optics / P. Päakkönen, J. Lautanen, M. Honkanen, M. Kuittinen, J. Turunen, S.N. Khonina, V.V. Kotlyar, V.A. Soifer, A.T. Friberg // Journal of Modern Optics. – 1998. – Vol. 45, Issue 11. – P. 2355-2369. – DOI: 10.1080/09500349808231245.
  17. Berry, M.V. Optical currents / M.V. Berry // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. – 2009. – Vol. 11. – 094001. – DOI: 10.1088/1464-4258/11/9/094001.
  18. Berry, M.V. Curvature of wave streamlines / M.V. Berry // Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical. – 2013. – Vol. 46. – 395202. – DOI: 10.1088/1751-8113/46/39/395202.
  19. Арнольд, В.И. Топологические методы в гидродинамике / В.И. Арнольд, Б.А. Хесин. – М.: МЦНМО, 2007.
  20. Berry, M.V. Stream function for optical energy flow / M.V. Berry, M.R. Dennis // Journal of Optics. – 2011. – Vol. 13. – 064004. – DOI: 10.1088/2040-8978/13/6/064004.
  21. Постон Т. Теория катастроф и её приложения / Т. Постон, Й. Стюарт. – М.: Мир, 1980.
  22. Брычков, Ю.А. Специальные функции. Производные, интегралы, ряды и другие формулы / Ю.А. Брычков. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. – ISBN: 5-9221-0705-4.
  23. Volyar, A. 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 2. – P. 5635-5638. – DOI: 10.1364/OL.43.005635.
  24. Volyar, A. 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. – P. 5748-5755. – DOI: 10.1364/AO.58.005748.
  25. 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. – P. 7680-7687. – DOI: 10.1364/AO.396557.
  26. Siegman, A.E. Hermite-Gaussian functions of complex argument as optical beam eigenfunctions / A.E. Siegman // Journal of Optical Society of America. – 1973. – Vol. 63, Issue 9. – P. 1093-1094. – DOI: 10.1364/JOSA.63.001093.
  27. Wünsche A. Generalized Gaussian beam solutions of paraxial optics and their connection to a hidden symmetry / A. Wünsche // Journal of Optical Society of America A. – 1989. – Vol. 6, Issue 9. – P. 1320-1329. – DOI: 10.1364/JOSAA.6.001320.

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