(46-1) 01 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Перестройка устойчивых состояний спиральных вихревых пучков
А.В. Воляр 1, Е.Г. Абрамочкин 2, Я.Е. Акимова 1, М.В. Брецьков 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, 2888 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1032

Страницы: 5-15.

Аннотация:
Используя асимптотический подход и эксперимент, подкрепленный компьютерным моделированием, мы проанализировали процессы восстановления структурной устойчивости и переходы в новые устойчивые состояния спиральных вихревых пучков, подверженных возмущениям фигурными апертурами. На примере тетрагонального пучка мы рассмотрели три сценария возмущения: 1) асимметричное возмущение, когда непрозрачный экран перекрывает каустику только с одной стороны квадрата, 2) симметричное возмущение, когда фигурная апертура перекрывает весь пучок за исключением узкой области каустики и 3) симметричное возмущение, когда фигурная апертура экранирует только узкую область каустики, не затрагивая остальной пучок. В то же время асимптотический расчет проводился для всех типов многоугольных пучков. Было показано, что если фигурная апертура не разрушает область каустики спирального пучка, то он способен восстановить свою прежнюю форму в дальней зоне дифракции. Если же возмущение даже локально разрушает часть каустики, то возмущенный пучок переходит в новое устойчивое состояние через цепочки рождения и уничтожения оптических вихрей (дислокационные реакции).

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

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. Перестройка устойчивых состояний спиральных вихревых пучков / А.В. Воляр, Е.Г. Абрамочкин, Я.Е. Акимова, М.В. Брецько // Компьютерная оптика. – 2022. – Т. 46, № 1. – С. 5-15. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1032.

Citation:
Volyar AV, Abramochkin EG, Akimova YE, Bretsko MV. Reconstruction of stable states of spiral vortex beams. Computer Optics 2022; 46(1): 5-15. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1032.

References:
  1. Lit JWY, Tremblay R. Focal depth of a transmitting axicon. J Opt Soc Am 1973; 63(4): 445-449. DOI: 10.1364/JOSA.63.000445.
  2. Sheppard CJR, Wilson T. Depth of field in scanning microscope. Opt Lett 1978; 3(3): 115-117. DOI: 10.1364/OL.3.000115.
  3. Shen Y, Wang X, Xie Z, Min C, Fu X, Liu Q, Gong M, Yuan X. Optical vortices 30 years on: OAM manipulation from topological charge to multiple singularities. Light Sci Appl 2019; 8: 1-29. DOI: 10.1038/s41377-019-0194-2.
  4. Garces-Chavez V, McGloin D, Melville H, Sibbett W, Dholakia K. Simultaneous micromanipulation in multiple planes using a self-reconstructing light beam. Nature 2002; 419: 145-147. DOI: 10.1038/nature01007.
  5. Fahrbach FO, Simon P, Rohrbach A. Microscopy with self-reconstructing beams. Nat Photon 2010; 4: 780-785. DOI: 10.1038/nphoton.2010.204.
  6. Nape I, Otter E, Valles A, Rosales-Guzman C, Cardano F, Denz C, Forbes A. Self-healing high-dimensional quantum key distribution using hybrid spin-orbit Bessel states. Opt Express 2018; 26(21): 26946-26960. DOI: 10.1364/OE.26.026946.
  7. McLaren M, Mhlanga T, Padgett MJ, Roux FS, Forbes A. Self-healing of quantum entanglement after an obstruction. Nat Commun 2014; 5: 3248. DOI: 10.1038/ncomms4248.
  8. Duocastella M, Arnold CB. Bessel and annular beams for materials processing. Laser Photonics Rev 2012; 6(5): 607-621. DOI: 10.1002/lpor.201100031.
  9. Simon DS. A guided tour of light beams. From lasers to optical knots. Bristol: Morgan & Claypool Publishers; 2016. ISBN: 978-1-6817-4436-0.
  10. Nelson W, Palastro J, Davis C, Sprangle P. Propagation of Bessel and Airy beams through atmospheric turbulence. J Opt Soc Am A 2014; 31(3): 603-609. DOI: 10.1364/JOSAA.31.000603.
  11. Soifer VA, Korotkova О, Khonina SN, Shchepakina ЕА. Vortex beams in turbulent media: Review. Computer Optics 2016; 40(5): 605-624. DOI: 10.18287/2412-6179-2016-40-5-605-624.
  12. Mphuthi N, Botha R, Forbes A. Are Bessel beams resilient to aberrations and turbulence? J Op Soc Am A 2018; 35(6): 1021-1027. DOI: 10.1364/JOSAA.35.001021.
  13. Aiello A, Agarwal GS. Wave-optics description of self-healing mechanism in Bessel beams. Opt Lett 2014; 39(24): 6819-6822. DOI: 10.1364/OL.39.006819.
  14. Chu X. Analytical study on the self-healing property of Bessel beam. Eur Phys J D 2012; 66: 259. DOI: 10.1140/epjd/e2012-30343-6.
  15. Wu G, Pang X. Self-healing properties of partially coherent Schell-model beams. IEEE Photon J 2017; 9(6): 6501311. DOI:10.1109/JPHOT.2017.2772350.
  16. Anguiano-Morales M, Martínez A, Iturbe-Castillo MD, Chávez-Cerda S, Alcalá-Ochoa N. Self-healing property of a caustic optical beam. Appl Opt 2007; 46(34): 8284-8290. DOI: 10.1364/AO.46.008284.
  17. Vaveliuk P, Martínez-Matos Ó, Ren Y-X, Lu R-D. Dual behavior of caustic optical beams facing obstacles. Phys Rev A 2017; 95(6): 063838. DOI: 10.1103/PhysRevA.95.063838.
  18. Nye JF. Natural focusing and fine structure of light: caustics and wave dislocations. Bristol: Institute of Physics; 1999. ISBN 0-7503-0610-6.
  19. Berry MV. Upsill C catastrophe optics: Morphologies of caustics and their diffraction patterns. Progress in Optics 1980; 18: 257-346. DOI: 10.1016/S0079-6638(08)70215-4.
  20. Forbes A, Oliveira M, Dennis MR. Structured light. Nat Photon 2021; 15: 253-262. DOI: 10.1038/s41566-021-00780-4.
  21. Shen Yi, Yang Xi, Naidoo D, Fu Xing, Forbes A. Structured ray-wave vector vortex beams in multiple degrees of freedom from a laser. Optica 2020; 7(7): 820-831. DOI: 10.1364/OPTICA.414397.
  22. Shen Yi, Wang Zh, Fu Xing, Naidoo Dar, Forbes A. SU(2) Poincaré sphere: A generalized representation for multidimensional structured light. Phys Rev A 2020; 102(3): 031501. DOI: 10.1103/PhysRevA.102.031501.
  23. Abramochkin EG, Volostnikov VG. Spiral light beams. Physics-Uspekhi 2004; 47(12): 1177-1203. DOI: 10.1070/PU2004v047n12ABEH001802.
  24. Razueva E, Abramochkin E. Multiple-twisted spiral beams. J Opt Soc Am A 2019; 36(6): 1089-1097. DOI: 10.1364/JOSAA.36.001089.
  25. Rodrigo JA, Alieva T, Abramochkin E, Castro I. Shaping of light beams along curves in three dimensions. Opt Express 2013; 21(18): 20544-20555. DOI: 10.1364/OE.21.020544.
  26. Berry MV, Nye JF, Wright FJ. The elliptic umbilic diffraction catastrophe. Philos Trans Royal Soc A 1979; 291(1382): 453-484. DOI: 10.1098/rsta.1979.0039.
  27. Nye JF. Dislocation lines in the hyperbolic umbilic diffraction catastrophe. Proc Math Phys Eng Sci 2006; 462(2072): 2299-2313. DOI: 10.1098/rspa.2006.1683.
  28. Volyar AV, Abramochkin EG, Razueva EV, Akimova YaE, 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.
  29. Volyar AV, Akimova YaE. Transformations of structurally stable states of spiral beams subjected to sector perturbations. Computer Optics: accepted for publication.
  30. Poston T, Stewart I. Catastrophe theory and its applications. London: Pitman; 1978.
  31. Volyar A, Bretsko M, Akimova Ya, Egorov Yu. Orbital angular momentum and informational entropy in perturbed vortex beams. Opt Lett 2019; 44(29): 5687-5680. DOI: 10.1364/OL.44.005687.
  32. Arnold VI, Gusein-Zade SM, Varchenko AN. Singularities of differentiable maps. Basel: Birkhäuser, 1988.
  33. Berry MV. Wave dislocation reactions in non-paraxial Gaussian beams. J Mod Opt 1998; 45(9): 1845-1858. DOI: 10.1080/09500349808231706.
  34. Volyar A, Bretsko M, Akimova Ya, Egorov Yu. Digital sorting perturbed Laguerre–Gaussian beams by radial numbers. J Opt Soc Am A 2020; 37(6): 959-968. DOI: 10.1364/JOSAA.391153.
  35. Volyar AV, Abramochkin EG, Egorov YuA, Bretsko MV, Akimova YaE. Digital sorting of Hermite-Gauss beams: mode spectra and topological charge of a perturbed Laguerre-Gauss beam. Computer Optics 2020; 44(4): 501-509. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-747.
  36. Volyar A, Abramochkin E, Egorov Yu, Bretsko M, Akimova Ya. Fine structure of perturbed Laguerre–Gaussian beams: Hermite–Gaussian mode spectra and topological charge. Appl Opt 2020; 59(25): 7680-7687. DOI: 10.1364/AO.396557.
  37. Born M, Wolf E. Principles of optics. 7th ed. Cambridge: Cambridge University Press; 1999. ISBN: 0-521-64222-1.
  38. Temme NM. Asymptotic methods for integrals. Singapore: World Scientific Publishing Co Pte Ltd; 2014. ISBN: 978-981-4612-15-9.

© 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