(45-6) 03 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Смещённые эллиптические Гауссовы пучки с внутренним орбитальным угловым моментом
А.А. Ковалёв 1,2, В.В. Котляр 1,2, Д.С. Калинкина 2, А.Г. Налимов 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, 1399 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-916

Страницы: 809-817.

Аннотация:
Рассмотрены параксиальные световые пучки, составленные из Гауссовых пучков, смещённых с оптической оси, фаза которых подобрана специальным образом, чтобы суперпозиция была инвариантной к распространению в пространстве, то есть без изменения формы поперечного сечения. Путём решения системы пяти нелинейных уравнений составлена суперпозиция в виде инвариантного внеосевого эллиптического Гауссова пучка. Получено выражение для орбитального углового момента такого пучка. Показано, что он складывается из двух составляющих. Первая из них равна моменту относительно центра пучка и возрастает с его эллиптичностью. Вторая квадратично зависит от расстояния от центра масс до оптической оси (аналог теоремы Штейнера). Показано, что ориентация эллипса в поперечной плоскости не влияет на нормированный орбитальный угловой момент.

Ключевые слова:
световой пучок с неоднородной эллиптической поляризацией, топологический заряд, внутренний орбитальный угловой момент.

Благодарности
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант 18-29-20003) в части «Инвариантные к распространению внеосевые Гауссовы пучки», Российского научного фонда (грант 18-19-00595) в части «Структурно-инвариантные эллиптические Гауссовы пучки», а также Министерства науки и высшего образования РФ в рамках выполнения работ по Государственному заданию ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН в части «Энергия и орбитальный угловой момент».

Цитирование:
Ковалёв, А.А. Смещённые эллиптические Гауссовы пучки с внутренним орбитальным угловым моментом / А.А. Ковалёв, В.В. Котляр, Д.С. Калинкина, А.Г. Налимов // Компьютерная оптика. – 2021. – Т. 45, № 6. – С. 809-817. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-916.

Citation:
Kovalev AA, Kotlyar VV, Kalinkina DS, Nalimov AG. Off-axis elliptic Gaussian beams with an intrinsic orbital angular momentum. Computer Optics 2021; 45(6): 809-817. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-916.

Литература:
  1. Durnin, J. Diffraction-free beams / J. Durnin, J.J. Miceli Jr., J.H. Eberly // Physical Review Letters. – 1987. – Vol. 58, Issue 15. – P. 1499-1501.
  2. Gutiérrez-Vega, J. Alternative formulation for invariant optical fields: Mathieu beams / J. Gutiérrez-Vega, M. Iturbe-Castillo, S. Chávez-Cerda // Optics Letters. – 2000. – Vol. 25. – P. 1493-1495.
  3. Bandres, M. Parabolic nondiffracting optical wave fields / M. Bandres, J. Gutiérrez-Vega, S. Chávez-Cerda // Optics Letters. – 2004. – Vol. 29. – P. 44-46.
  4. Siegman, A.E. Lasers / A.E. Siegman. – University Science, 1986.
  5. Indebetouw, G. Optical vortices and their propagation / G. Indebetouw // Journal of Modern Optics. – 1993. – Vol. 40, Issue 1. – P. 73-87.
  6. Abramochkin, E.G. Generalized Gaussian beams / E.G. Abramochkin, V.G. Volostnikov // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. – 2004. – Vol. 6, Issue 5. – P. S157-S161.
  7. Kotlyar, V.V. Vortex Hermite–Gaussian laser beams / V.V. Kotlyar, A.A. Kovalev, A.P. Porfirev // Optics Letters. – 2015. – Vol. 40, Issue 5. – P. 701-704. – DOI: 10.1364/OL.40.000701.
  8. Абрамочкин, Е.Г. Современная оптика гауссовых пучков / Е.Г. Абрамочкин, В.Г. Волостников. – М.: Физматлит, 2010. – ISBN: 978-5-9221-1216-1.
  9. Liu, X. Investigation on the scintillation reduction of elliptical vortex beams propagating in atmospheric turbulence / X. Liu, J. Pu // Optics Express. – 2011. – Vol. 19, Issue 27. – P. 26444-26450.
  10. Andrews, L.C. Laser beam propagation through random media / L.C. Andrews, R.L. Phillips. – Bellingham, Washington: SPIE Press, 1998.
  11. Zhang, X. Free-space information transfer using the elliptic vortex beam with fractional topological charge / X. Zhang, T. Xia, S. Cheng, S. Tao // Optics Communication. – 2019. – Vol. 431. – P. 238-244.
  12. Wu, K. Propagation of partially coherent four-petal elliptic Gaussian vortex beams in atmospheric turbulence / K. Wu, Y. Huai, T. Zhao, Y. Jin // Optics Express. – 2018. – Vol. 26, Issue 23. – P. 30061-30075.
  13. Скиданов, Р.В. Суперпозиция вихревых световых пучков для захвата и перемещения биологических микрообъектов / Р.В. Скиданов, М.А. Рыков // Компьютерная оптика. – 2013. – Т. 37, Issue 4. – P. 431-435. – DOI: 10.18287/0134-2452-2013-37-4-431-435.
  14. Белоусов, Д.А. Метод обработки микроизображений для анализа структур ТЛИППС / Д.А. Белоусов, А.В. Достовалов, В.П. Корольков, С.Л. Микерин // Компьютерная оптика. – 2019. – Т. 43, № 6. – С. 936-945. – DOI: 10.18287/2412-6179-2019-43-6-936-945.
  15. Dostovalov, A.V. Influence of femtosecond laser pulse repetition rate on thermochemical laser-induced periodic surface structures formation by focused astigmatic Gaussian beam / A.V. Dostovalov, K.A. Okotrub, K.A. Bronnikov, V.S. Terentyev, V.P. Korolkov, S.A. Babin // Laser Physics Letters. – 2019. – Vol. 16, Issue 2. – 026003.
  16. Dostovalov, A.V. LIPSS on thin metallic films: New insights from multiplicity of laser-excited electromagnetic modes and efficiency of metal oxidation / A.V. Dostovalov, T.J.Y. Derrien, S.A. Lizunov, F. Přeučil, K.A. Okotrub, T. Mocek, V.P. Korolkov, S.A. Babin, N.M. Bulgakova // Applied Surface Science. – 2019. – Vol. 491. – P. 650-658.
  17. Goodman, J.W. Introduction to Fourier optics / J.W. Goodman. – 2nd ed. – New York: McGraw-Hill, 1996. – 491 p.
    Cai, Y. Decentered elliptical Gaussian beam / Y. Cai, Q. Lin // Applied Optics. – 2002. – Vol. 41. – P. 4336-4340.
  18. Kotlyar, V.V. Vortex astigmatic Fourier-invariant Gaussian beams / V.V. Kotlyar, A.A. Kovalev, A.P. Porfirev // Optics Express. – 2019. – Vol. 27, Issue 2. – P. 657-666. – DOI: 10.1364/OE.27.000657.
  19. Kotlyar, V.V. Astigmatic laser beams with a large orbital angular momentum / V.V. Kotlyar, A.A. Kovalev, A.P. Porfirev // Optics Express. – 2018. – Vol. 26, Issue 1. – P. 141-156. – DOI: 10.1364/OE.26.000141.
  20. Berry, M.V. Orbital and spin angular momentum in conical diffraction / M.V. Berry, M.R. Jeffrey, M. Mansuripur // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. – 2005. – Vol. 7. – P. 685-690.
  21. Bullen, P.S. Handbook of means and their inequalities / P.S. Bullen. – Chap. III. – Dordrecht, Netherlands: Kluwer, 2003. – P. 175-265.
  22. Backlund, M.P. The double-helix point spread function enables precise and accurate measurement of 3D single-molecule localization and orientation / M.P. Backlund, M.D. Lew, A.S. Backer, S.J. Sahl, G. Grover, A. Agrawal, R. Piestun, W.E. Moerner // Proceedings of SPIE. – 2013. – Vol. 8590. – 85900.
  23. Zannotti, A. Shaping caustics into propagation-invariant light / A. Zannotti, C. Denz, M.A. Alonso, M.R. Dennis // Nature Communications. – 2020. – Vol. 11. – 3597.
  24. 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.

© 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