(45-4) 03 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Оптические вихревые пучки с бесконечным числом винтовых дислокаций
А.А. Ковалёв 1,2

1 ИСОИ РАН – филиал ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН,
443001, Россия, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 151,

2 Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва,
443086, Россия, г. Самара, Московское шоссе, д. 34

 PDF, 1354 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-866

Страницы: 497-505.

Аннотация:
При передаче данных с помощью вихревых лазерных пучков носителем информации может являться топологический заряд, теоретическое значение которого не ограничено. Однако, топологический заряд одного отдельного вихря (винтовой дислокации) ограничен возможностями его формирования. Поэтому в данной работе изучены три примера мультивихревых Гауссовых световых полей (два пучка структурно устойчивые и один пучок астигматический), у которых неограниченное (счётное) множество винтовых дислокаций одного знака. Как следствие, топологический заряд этих полей бесконечен. Первый пучок имеет амплитуду в виде Гауссовой функции, умноженной на косинус с вихревым аргументом в квадрате. У такого пучка центры сингулярности фазы лежат на обеих декартовых осях в плоскости перетяжки и «уплотняются» с увеличением расстояния от оптической оси. Распределение интенсивности у такого пучка имеет вид «четырёхконечной звезды». Все оптические вихри у такого пучка имеют одинаковый топологический заряд +1. Второй пучок, описывается также Гауссовой функцией, умноженной на косинус в произвольной степени, и также от вихревого аргумента. Этот пучок имеет счётное число оптических вихрей, которые эквидистантно расположены на одной декартовой оси в плоскости перетяжки и топологический заряд каждого из них равен степени, в которую возводится косинус. Интенсивность такого пучка имеет вид двух световых пятен, центры которых находятся на прямой, перпендикулярной прямой, на которой лежат центры оптических вихрей. И третий пучок во многом похож на первый, но формируется с помощью наклонной цилиндрической линзы из косинусной одномерной решетки с квадратичным аргументом.

Ключевые слова:
оптический вихрь, винтовая дислокация, топологический заряд, структурно устойчивый пучок, мультивихревой пучок, орбитальный угловой момент.

Благодарности
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант 18-29-20003) в части «Косинусный оптический вихрь с квадратичным аргументом», Российского научного фонда (грант 18-19-00595) в части «Косинусный оптический вихрь высокого порядка», а также Министерства науки и высшего образования РФ в рамках выполнения работ по Государственному заданию ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН в части «Астигматический косинусный вихрь с квадратичным аргументом».

Цитирование:
Ковалёв, А.А. Оптические вихревые пучки с бесконечным числом винтовых дислокаций / А.А. Ковалёв // Компьютерная оптика. – 2021. – Т. 45, № 4. – С. 497-505. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-866.

Citation:
Kovalev AA. Optical vortex beams with an infinite number of screw dislocations. Computer Optics 2021; 45(4): 497-505. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-866.

Литература:
  1. 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.
  2. Nye, J.F. Dislocations in wave trains / J.F. Nye, M.V. Berry // Proceedings of the Royal Society A. – 1974. – Vol. 336, Issue 1605. – P. 165-190.
  3. Fickler, R. Quantum entanglement of angular momentum states with quantum numbers up to 10010 / R. Fickler, G. Campbell, B. Buchler, P.K. Lam, A. Zeilinger // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. – 2016. – Vol. 113, Issue 48. – P. 13642-13647.
  4. Basisty, I.V. Optics of light beams with screw dislocations / I.V. Basisty, V.Yu. Bazhenov, M.S. Soskin, M.V. Vasnetsov // Optics Communications. – 1993. – Vol. 103. – P. 422-428.
  5. 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.
  6. Hickmann, J.M. Unveiling a truncated optical lattice associated with triangular aperture using light’s orbital angular momentum / J.M. Hickmann, E.J.S. Fonseca, W.C. Soares, S. Chávez-Cerda // Physical Review Letters. – 2010. – Vol. 105. – 053904.
  7. De Araujo, L.E.E. Measuring vortex charge with a triangular aperture / L.E.E. de Araujo, M.E. Anderson // Optics Letters. – 2011. – Vol. 36. – P. 787-789.
  8. 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. Chávez-Cerda, P.H.S. Ribeiro, W.C. Soares // Scientific Reports. – 2018. – Vol. 8. – 6370.
  9. Vaity, P. Measuring the topological charge of an optical vortex by using a titled convex lens / P. Vaity, J. Banerji, R.P. Singh // Physics Letters A. – 2013. – Vol. 377. – P. 1154-1156.
  10. 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. 4095-4104. – DOI: 10.1364/AO.56.004095.
  11. Shen, D. Measuring the topological charge of optical vortices with a twisting phase / D. Shen, D. Zhao // Optics Letters. – 2019. – Vol. 44, Issue 9. – P. 2334-2337.
  12. Liu, G. Measurement of the topological charge and index of vortex vector optical fields with a space-variant half-wave plate / G. Liu, K. Wang, Y. Lee, D. Wang, P. Li, F. Gou, Y. Li, C. Tu, S. Wu, H. Wang // Optics Letters. – 2018. – Vol. 43. – P. 823-826.
  13. Li, Y. Measuring the topological charge of vortex beams with gradually changing-period spiral spoke grating / Y. Li, Y. Han, Z. Cui // IEEE Photonics Technology Letters. – 2020. – Vol. 32, Issue 2. – P. 101-104.
  14. Lan, B. The topological charge measurement of the vortex beam based on dislocation self-reference interferometry / B. Lan, C. Liu, D. Rui, M.  Chen, F. Shen, H. Xian // Physica Scripta. – 2019. – Vol. 94. – 055502.
  15. Kodatskii, B. Comparative study of reference wave lacking measurement of topological charge of the incoming optical vortex / B. Kodatskii, A. Sevryugin, E. Shalimov, I. Tursunov, V. Venediktov // Proceedings of SPIE. – 2019. – Vol. 11153. – 111530G.
  16. Kovalev, A.A. Orbital angular momentum and topological charge of a multi-vortex Gaussian beam / A.A. Kovalev, V.V. Kotlyar, A.P. Porfirev // Journal of the Optical Society of America A. – 2020. – Vol. 37, Issue 11. – P. 1740-1747. – DOI: 10.1364/JOSAA.401561.
  17. Fu, S. Universal orbital angular momentum spectrum analyzer for beams / S. Fu, Y. Zhai, J. Zhang, X. Liu, R. Song, H. Zhou, C. Gao // PhotoniX. – 2020. – Vol. 1. – 19.
  18. Soskin, M.S. Topological charge and angular momentum of light beams carrying optical vortices / M.S. Soskin, V.N. Gorshkov, M.V. Vasnetsov, J.T. Malos, N.R. Heckenberg // Physical Review A. – 1997. – Vol. 56, Issue 5. – P. 4064-4075.
  19. Jesus-Silva, A.J. Study of the birth of a vortex at Frauhofer zone / A.J. Jesus-Silva, E.J.S. Fonseca, J.M. Hickman // Optics Letters. – 2012. – Vol. 37, Issue 12. – P. 4552-4554.
  20. Kotlyar, V.V. Topological charge of a linear combination of optical vortices: topological competition / V.V. Kotlyar, A.A. Kovalev, A.V. Volyar // Optics Express. – 2020. – Vol. 28, Issue 6. – P. 8266-8281. – DOI: 10.1364/OE.386401.
  21. Zeng, J. Anomalous multi-ramp fractional vortex beams with arbitrary topological charge jumps / J. Zeng, H. Zhang, Z. Xu, C. Zhao, Y. Cai, G. Gbur // Applied Physics Letters. – 2020. – Vol. 117. – 241103.
  22. Kotlyar, V.V. Evolution of an optical vortex with an initial fractional topological charge / V.V. Kotlyar, A.A. Kovalev, A.G. Nalimov, A.P. Porfirev // Physical Review A. – 2020. – Vol. 102, Issue 2. – 023516. – DOI: 10.1103/PhysRevA.102.023516.
  23. Wang, H. Vortex beam generation with variable topological charge based on a spiral slit / H. Wang, L. Liu, C. Zhou, J. Xu, M. Zhang, S. Teng, Y. Cai // Nanophotonics. – 2019. – Vol. 8, Issue 2. – P. 317-324.
  24. Zhang, Z. Tunable topological charge vortex microlaser / Z. Zhang, X. Qiao, B. Midya, K. Liu, J. Sun, T. Wu, W. Liu, R. Agarwal, J.M. Jornet, S. Longhi, N.M. Litchinitser, L. Feng // Science. – 2020. – Vol. 368. – P. 760-763.
  25. Zhang, K. A review of orbital angular momentum vortex beams generation: from traditional methods to metasurfaces / K. Zhang, Y. Wang, Y. Yuan, S.N. Burokur // Applied Sciences. – 2020. – Vol. 10. – 1015.
  26. Abramochkin, E.G. Spiral-type beams: optical and quantum aspects / E.G. Abramochkin, V.G. Volostnikov // Optics Communications. – 1996. – Vol. 125. – P. 302-323.
  27. Alexeyev, C.N. Mutual transformations of fractional-order and integer-order optical vortices / C.N. Alexeyev, Yu.A. Egorov, A.V. Volyar // Physical Review A. – 2017. – Vol. 96. – 063807.

© 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