(45-6) 01 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Преобразования структурно устойчивых состояний спиральных пучков под действием секторных возмущений
А.В. Воляр 1, Я.Е. Акимова 1

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

 PDF, 5556 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1009

Страницы: 789-799.

Аннотация:
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.

Ключевые слова:
структурная устойчивость, спиральный пучок, спектр вихрей, линии тока.

Благодарности
Авторы благодарны профессору Е.Г. Абрамочкину за полезные советы и обсуждения.
     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. Преобразование структурно устойчивых состояний спиральных пучков под действием секторных возмущений / А.В. Воляр, Я.Е. Акимова // Компьютерная оптика. – 2021. – Т. 45, № 6. – С. 789-799. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1009.

Citation:
Volyar AV, Akimova YE. Transformations of structurally stable states of spiral beams subjected to sector perturbations. Computer Optics 2021; 45(6): 789-799. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1009.

Литература:
  1. Forbes, A. Structured light tailored for purpose / A. Forbes // Optics and Photonics News. – 2020. – Vol. 31, Issue 6. – P. 24-31. – DOI: 10.1364/OPN.31.6.000024.
  2. 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.
  3. 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.
  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.
  5. 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.
  6. 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: 10.1088/2040-8978/13/6/064001.
  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, Issue 1. – 013001. – DOI: 10.1088/2040-8978/19/1/013001.
  8. 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.
  9. 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.
  10. 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.
  11. 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.
  12. 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.
  13. Shen, Y. SU (2) Poincaré 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.
  14. 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.
  15. 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.
  16. 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.
  17. 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.
  18. 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.
  19. 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.
  20. Сойфер, В.А. Каустики вихревых оптических пучков / В.А. Сойфер, С.И. Харитонов, С.Н. Хонина, С.Г. Волотовский // Доклады Академии Наук. – 2019. – Т. 487, № 2. – С. 135-139. – DOI: 10.31857/S0869-56524872135-139.
  21. Thom, R. Structural stability and morphogenesis / R. Thom. – Readind, MA: W.A. Benjamin, Inc., 1975. – 392 p.
  22. Poston, T. Catastrophe theory and its applications / T. Poston, I. Stewart. – London: Pitman, 1978. – 491 p.
  23. 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.
  24. Dynamical Systems V: Bifurcation theory and catastrophe theory / ed. by V.I. Arnold. – Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 1994. – 274 p. – ISBN: 978-3-540-65379-0.
  25. 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.
  26. 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.
  27. 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.
  28. 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.
  29. 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/PhysRevLett.102.143902.
  30. 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.
  31. Абрамочкин, Е.Г. Современная оптика гауссовых пучков / Е.Г. Абрамочкин, В.Г. Волостников. – М.: Физматлит, 2010. – 184 с. – ISBN: 978-5-9221-1216-1.
  32. 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.
  33. 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.
  34. 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.
  35. 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.
  36. 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.
  37. 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.
  38. 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: 10.1088/2040-8978/13/6/064004.
  39. 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.

© 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