(47-3) 02 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Гигантские всплески и провалы орбитального углового момента в устойчивых к простому астигматизму структурированных Лагерр–Гауссовых пучках
А.В. Воляр 1, Е.Г. Абрамочкин 2, Я.Е. Акимова 1, М.В. Брецько 1

1 КФУ им. В.И. Вернадского, Физико-технический институт,
295007, Россия, Республика Крым, г. Симферополь, проспект Академика Вернадского, д. 4;
2 Самарский филиал федерального государственного бюджетного учреждения науки,
Физического института имени П.Н. Лебедева Российской академии наук (СФ ФИАН)
443011, Россия, г. Самара, ул. Ново-Садовая, д. 221

 PDF, 1873 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1243

Страницы: 350-360.

Аннотация:
В статье исследуются условия формирования астигматически инвариантных структурированных Лагерр–Гауссовых пучков в случае простого астигматизма. Теоретически и экспериментально найдены условия астигматической инвариантности: фазовый параметр theta; структурированного Лагерр–Гауссова пучка равен арктангенсу отношения длины Рэлея z0 и фокусного расстояния fcyl цилиндрической линзы для единичного epsilon;=1 амплитудного параметра. Для остальных значений амплитудного параметра epsilon;NotEqual;1 условие астигматической инвариантности задается равенством орбитального углового момента структурированного Лагерр–Гауссова и астигматически инвариантных структурированных Лагерр–Гауссовых пучков. Также обнаружены резкие всплески и провалы орбитального углового момента в астигматически инвариантных структурированных Лагерр–Гауссовых пучках в области, где орбитальный угловой момент обращается в ноль. Высота и глубина всплесков и провалов значительно превышают максимальные и минимальные значения орбитального углового момента в обычных структурированных Лагерр–Гауссовых пучках при заданной параметризации. Показано, что возникновение всплесков и провалов орбитального углового момента вызвано радикальной перестройкой спектра Лагерр–Гауссовых мод в виде их жесткого упорядочения. Теоретический расчет, сопровождаемый компьютерным моделированием, и эксперимент хорошо согласуются друг с другом.

Ключевые слова:
структурная устойчивость, топологический заряд, орбитальный угловой момент, спектр вихрей.

Благодарности
Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ в параграфе «Эксперимент» (проект № 20-37-90066), в параграфе «Острые всплески и провалы ОУМ. Асимптотики» (проект № 20-37-90068).

Цитирование:
Воляр, А.В. Гигантские всплески и провалы орбитального углового момента в устойчивых к простому астигматизму в структурированных Лагерр–Гауссовых пучках / А.В. Воляр, Е.Г. Абрамочкин, Я.Е. Акимова, М.В. Брецько // Компьютерная оптика. – 2023. – Т. 47, № 3. – С. 350-360. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1243.

Citation:
Volyar AV, Abramochkin EG, Akimova YE, Bretsko MV. Huge spikes and dips of the orbital angular momentum in structured Laguerre-Gaussian beams resistant to simple astigmatism. Computer Optics 2023; 47(3): 350-360. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1243.

References:
  1. Forbes A, de Oliveira M, Dennis MR. Structured light. Nature Photon 2021; 15(4): 253-262. DOI: 10.1038/s41566-021-00780-4.
  2. Shen Y, Yang X, Naidoo D, Fu X, Forbes A. Structured ray-wave vector vortex beams in multiple degrees of freedom from a laser. Optica 2020; 7: 820-831. DOI: 10.1364/OPTICA.382994.
  3. Kotlyar VV, Kovalev AA, Porfirev AP. Vortex laser beams. Boca Raton: CRC Press; 2018. ISBN: 978-1-138-54211-2.
  4. 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: 90. DOI: 10.1038/s41377-019-0194-2.
  5. Wang J. Advances in communications using optical vortices. Photon Res 2016; 4: B14-B28. DOI: 10.1364/PRJ.4.000B14.
  6. Woerdemann M, Alpmann C, Esseling M, Denz C. Advanced optical trapping by complex beam shaping. Laser Photon Rev 2013; 7: 839-854. DOI: 10.1002/lpor.201200058.
  7. Fickler R, Lapkiewicz R, Huber M, Lavery MPJ, Padgett MJ, Zeilinger A. Interface between path and orbital angular momentum entanglement for high-dimensional photonic quantum information. Nat Commun 2014; 5: 4502. DOI: 10.1038/ncomms5502.
  8. Abramochkin EG, Volostnikov VG. Generalized Gaussian beams. J Opt A–Pure Appl Opt 2004; 6: S157-S161. DOI: 10.1088/1464-4258/6/5/001.
  9. Abramochkin EG, Volostnikov VG. Spiral light beams. Physics–Uspekhi 2004; 47(12): 1177-1203. DOI: 10.1070/PU2004v047n12ABEH001802.
  10. Shen Y, Meng Y, Fu X, Gong M. Hybrid topological evolution of multi-singularity vortex beams: generalized nature for helical-Ince–Gaussian and Hermite–Laguerre–Gaussian modes. J Opt Soc Am A 2019; 36: 578-587. DOI: 10.1364/JOSAA.36.000578.
  11. Izdebskaya YV, Shvedov VG, Volyar AV. Symmetric array of off-axis singular beams: spiral beams and their critical points. J Opt Soc Am A 2008; 25(1): 171-181. DOI: 10.1364/JOSAA.25.000171.
  12. Volyar A, Abramochkin E, Razueva E, Bretsko M, Akimova Ya. Geometry of spiral beams: 3D curved structured vortex beams and optical currents. J Opt 2021; 23(4): 44003. DOI: 10.1088/2040-8986/abed5c.
  13. Volyar A, Akimova Ya. Structural stability of spiral vortex beams to sector perturbations. Appl Opt 2021; 61(21): 8865-8874. DOI: 10.1364/AO.435420.
  14. Abramochkin E, Volostnikov V. Beam transformation and nontransformed beams. Opt Commun 1991; 83: 123-125. DOI: 10.1016/0030-4018(91)90534-K.
  15. Pinnell J, Nape I, Sephton B, Cox MA, Rodríguez-Fajardo V, Forbes A. Modal analysis of structured light with spatial light modulators: a practical tutorial. J Opt Soc Am A 2020; 37(11): 146-160. DOI: 10.1364/JOSAA.398712.
  16. Volyar A, Abramochkin E, Akimova Ya, Bretsko M, Egorov Y. Fast oscillations of orbital angular momentum and Shannon entropy caused by radial numbers of structured vortex beams. Appl Opt 2022; 61(21): 6398-6407. DOI: 10.1364/AO.464178.
  17. Abramochkin E, Razueva E, Volostnikov V. General astigmatic transform of Hermite–Laguerre–Gaussian beams. J Opt Soc Am A 2010; 27(11): 2506-2513. DOI: 10.1364/JOSAA.27.002506.
  18. Wang Z, Shen Y, Naidoo D, Fu X, Forbes A. Astigmatic hybrid SU(2) vector vortex beams: towards versatile structures in longitudinally variant polarized optics. Opt Express 2021; 29(1): 315-329. DOI: 10.1364/OE.414674.
  19. Allen L, Beijersbergen MW, Spreew RJC, Woerdman JP. Orbital angular momentum and the transformation of Gauss-Laguerre modes. Phys Rev A 1992; 45: 8185-8189. DOI: 10.1103/PhysRevA.45.8185.
  20. Reddy SG, Prabhakar S, Aadhi A, Banerji J, Singh RP. Propagation of an arbitrary vortex pair through an astigmatic optical system and determination of its topological charge. J Opt Soc Am A 2014; 31(6): 1295-1302. DOI: 10.1364/JOSAA.31.001295.
  21. Kotlyar VV, Kovalev AA, Pofirev AP. Astigmatic transforms of an optical vortex for measurement of its topological charge. Appl Opt 2017; 56(14): 4095-4104. DOI: 10.1364/AO.56.004095.
  22. Chen Y-F, Chang C, Lee C, Tung J, Liang H, Huang K-F. Characterizing the propagation evolution of wave patterns and vortex structures in astigmatic transformations of Hermite–Gaussian beams. Laser Phys 2018; 28(1): 015002. DOI: 10.1088/1555-6611/aa9625.
  23. Fadeyeva TA, Rubass AF, Aleksandrov RV, Volyar AV. Does the optical angular momentum change smoothly in fractional-charged vortex beams? J Opt Soc Am B 2014; 31(4): 798-805. DOI: 10.1364/JOSAB.31.000798.
  24. Kotlyar VV, Kovalev AA. Orbital angular momentum of paraxial propagation-invariant laser beams. J Opt Soc Am A 2022; 39(6): 1061-1065. DOI: 10.1364/JOSAA.457660.
  25. Arnold VI. Mathematical methods of classical mechanics. Springer; 2003. ISBN: 978-0-387-96890-2.
  26. Thompson WJ. Angular Momentum: an illustrated guide to rotational symmetries for physical systems. New York: Wiley-VCH; 1994. ISBN: 978-0-471-55264-2.
  27. Szegö G. Orthogonal polynomials [In Russian]. Moscow: "Fizmatgiz" Publisher; 1962.
  28. Volyar AV, Abramochkin EG, Egorov Yu, Bretsko M, Akimova Ya. 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.
  29. Volyar A, Bretsko M, Akimova Ya, Egorov Yu. Measurement of the vortex and orbital angular momentum spectra with a single cylindrical lens. Appl Opt 2019; 58(21): 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