(48-3) 02 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Генерация Бесселевых закрученных пучков в субтерагерцевом диапазоне с использованием отражающих дифракционных оптических элементов
В.В. Герасимов 1,2, Н.Д. Осинцева 2, В.С. Павельев 3,4, А.Н. Агафонов 3

1 Новосибирский государственный университет,
630090, Россия, Новосибирская область, г. Новосибирск, ул. Пирогова, д. 1;
2 Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН,
630090, Россия, Новосибирская область, г. Новосибирск, проспект Лаврентьева, д. 11;
3 Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва,
443086, Россия, г. Самара, Московское шоссе, д. 34;
4 Институт систем обработки изображений, НИЦ «Курчатовский институт»,
443001, Россия, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 151

  PDF, 1728 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1410

Страницы: 334-341.

Аннотация:
Рассмотрен простой способ формирования закрученных Бесселевых пучков субтерагерцевого (субТГц) диапазона с орбитальным угловым моментом l=1 на основе отражающих металлических дифракционных оптических элементов с непрерывным спиральным микрорельефом, изготовленных методом микрофрезерования на дюралевой полированной подложке и литьем из олова. Элементы были протестированы с помощью излучения лампы обратной волны (длина волны λ=855 мкм). Для элемента, изготовленного микрофрезерованием, пучки формировались и сохраняли Бесселев профиль интенсивности на расстоянии от отражающего элемента 20–50 мм, что хорошо согласуется с результатами численного моделирования. Экспериментальная оценка энергетической эффективности данного элемента составила 63%. Для элемента, изготовленного методом литья, пучки в области формирования имели искаженный профиль вследствие наличия остаточных деформаций олова, обладающего пластичностью. Благодаря высокой проводимости, металлические отражающие элементы могут использоваться при работе с источниками субТГц-излучения с высокой плотностью мощности, такими как лазеры на свободных электронах и гиротроны.

Ключевые слова:
дифракционная оптика, субтерагерцевый диапазон, Бесселев пучок, закрученный пучок, отражающий дифракционный оптический элемент.

Благодарности
В работе использовалось оборудование Центра коллективного пользования «Сибирский центр синхротронного и терагерцевого излучения» на базе уникальной установки «Новосибирский ЛСЭ» в ИЯФ СО РАН. Авторы благодарят ЦКП ВТАН НГУ за проведение измерений на научном оборудовании. Расчет дифракционных оптических элементов выполнен при поддержке Государственного задания НИЦ «Курчатовский институт».

Цитирование:
Герасимов, В.В. Генерация Бесселевых закрученных пучков в субтерагерцевом диапазоне с использованием отражающих дифракционных оптических элементов / В.В. Герасимов, Н.Д. Осинцева, В.С. Павельев, А.Н. Агафонов // Компьютерная оптика. – 2024. – Т. 48, № 3. – С. 334-341. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1410.

Citation:
Gerasimov VV, Osintseva ND, Pavelyev VS, Agafonov AN. Generation of Bessel vortex beams in the subterahertz range using reflecting diffractive optical elements. Computer Optics 2024; 48(3): 334-341. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1410.

References:
  1. Durnin J. Exact solutions for nondiffracting beams. I. The scalar theory. J Opt Soc Am A 1987; 4(4): 651-654. DOI: 10.1364/JOSAA.4.000651.
  2. Durnin J, Miceli JJ, Eberly JH. Diffraction-free beams. Phys Rev Lett 1987; 58(15): 1499-1501. DOI: 10.1103/PhysRevLett.58.1499.
  3. Khonina SN, Kazanskiy NL, Karpeev SV, Butt MA. Bessel beam: Significance and applications – a progressive review. Micromachines 2020; 11(11): 997. DOI: 10.3390/mi11110997.
  4. Li SW, Aruga T. Long focal depth imaging over a long range. J Commun Res Lab 1996; 46: 309-310.
  5. Krenn M, Fickler R, Fink M, Handsteiner J, Malik M, Scheidl T, Ursin R, Zeilinger A. Communication with spatially modulated light through turbulent air across Vienna. New J Phys 2014; 16(11): 113028. DOI: 10.1088/1367-2630/16/11/113028.
  6. Li D, Imasaki K, Miyamoto S, Amano S, Mochizuki T. Conceptual design of Bessel beam cavity for free-electron laser. Int J Infrared Milli Waves 2006; 27: 165-171. DOI: 10.1007/s10762-006-9067-x.
  7. O’Holleran K, Padgett MJ, Dennis MR. Topology of optical vortex lines formed by the interference of three, four, and five plane waves. Opt Express 2006; 14(7): 3039-3044. DOI: 10.1364/OE.14.003039.
  8. Indebetouw G. Optical vortices and their propagation. J Mod Opt 1993; 40: 73-87. DOI: 10.1080/09500349314550101.
  9. Pavelyev VS, Tukmakov KN, Reshetnikov AS, Gerasimov VV, Osintseva ND, Knyazev BA. Experimental investigation of the self-healing of terahertz Bessel beams with orbital angular momentum. Computer Optics 2021; 45(5): 673-677. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-845.
  10. Mair A, Vaziri A, Weihs G, Zeilinger A. Entanglement of the orbital angular momentum states of photons. Nature 2001; 412: 313-316. DOI: 10.1038/35085529.
  11. Padgett M, Bowman R. Tweezers with a twist. Nature Photon 2011; 5: 343-348. DOI: 10.1038/nphoton.2011.81.
  12. Fortin M, Pich M, Borra EF. Optical tests with Bessel beam interferometry. Opt Express 2004; 12(24): 5887-5895. DOI: 10.1364/OPEX.12.005887.
  13. Baggio M, Tamminen A, Lamberg J, Grigorev R, Pälli S-V, Ala-Laurinaho J, Nefedova I, Bourges J-L, Deng SX, Brown ER, Wallace VP, Taylor ZD. Submillimeter-wave cornea phantom sensing over an extended depth of field with an axicon-generated Bessel beam. IEEE Trans THz Sci Technol 2023; 13: 132-144. DOI: 10.1109/TTHZ.2022.3221367.
  14. Monk S, Arlt J, Robertson DA, Courtial J, Padgett MJ. The generation of Bessel beams at millimetre-wave frequencies by use of an axicon. Opt Commun 1999; 170: 213-215. DOI: 10.1016/S0030-4018(99)00463-0.
  15. Ok G, Choi S-W, Park K, Chun H. Foreign object detection by sub-terahertz quasi-Bessel beam imaging. Sensors 2012; 13: 71-85. DOI: 10.3390/s130100071.
  16. Nallappan K, Guerboukha H, Seghilani M, Ma T, Azana J, Nerguizian C, Skorobogatiy M. Multiplexing of terahertz wireless communication channels using vortex beams. 2017 42nd Int Conf on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz) 2017: 1-1. DOI: 10.1109/IRMMW-THz.2017.8066888.
  17. Knyazev BA, Serbo VG. Beams of photons with nonzero projections of orbital angular momenta: new results. Phys-Usp 2018; 61: 449-479. DOI: 10.3367/UFNe.2018.02.038306.
  18. Salo J, Meltaus J, Noponen E, Westerholm J, Salomaa MM, Lönnqvist A, Säily J, Häkli J, Ala-Laurinaho J, Räisänen AV. Millimetre-wave Bessel beams using computer holograms. Electron Lett 2001; 37(13): 834-835. DOI: 10.1049/el:20010551.
  19. Meng H, Xiang B, Zhang J, Dou W, Yu Y. The generation of Bessel beam and its application in millimeter wave imaging. J Infrared Milli Terahz Waves 2014; 35: 208-217. DOI: 10.1007/s10762-013-0037-9.
  20. Yu YZ, Dou WB. Nondiffracting millimeter waves beams generated by diffractive optical elements. 2008 38th European Microwave Conf 2008: 951-954. DOI: 10.1109/EUMC.2008.4751612.
  21. Yu YZ, Dou WB. Generation of Bessel beams at mm- and submm-wave bands using binary optical elements. 2008 Global Symposium on Millimeter Waves 2008: 115-118. DOI: 10.1109/GSMM.2008.4534573.
  22. Cheng L, Hong W, Hao Z-C. Generation of electromagnetic waves with arbitrary orbital angular momentum modes. Sci Rep 2014; 4: 4814. DOI: 10.1038/srep04814.
  23. Gan Y, Meng H, Chen Y, Zhang X, Dou W. Generation of Bessel beams with 3D-printed lens. Int J RF Microw Comput Aided Eng 2020; 30(4): e22029. DOI: 10.1002/mmce.22029.
  24. Wu G-B, Chan KF, Chan CH. 3-D printed terahertz lens to generate higher order Bessel beams carrying OAM. IEEE Trans Antennas Propagat 2021; 69(6): 3399-3408. DOI: 10.1109/TAP.2020.3030915.
  25. Yu J-P, Chen S, Fan F, Cheng J-R, Xu S-T, Wang X-H, Chang S-J. Tunable terahertz wave-plate based on dual-frequency liquid crystal controlled by alternating electric field. Opt Express 2018; 26(2): 663-673. DOI: 10.1364/OE.26.000663.
  26. Kuznetsov SA, Marcotegui JA, Lapanik VI. Electrically tunable quasioptical notch filter based on a liquid-crystal-metastructure for the short millimetre-wave range. 2021 46th Int Conf on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz) 2021: 1-1. DOI: 10.1109/IRMMW-THz50926.2021.9567213.
  27. Shen Z, Tang M, Chen P, Zhou S, Ge S, Duan W, Wei T, Liang X, Hu W, Lu Y-Q. Planar terahertz photonics mediated by liquid crystal polymers. Adv Optical Mater 2020; 8: 1902124. DOI: 10.1002/adom.201902124.
  28. Shevchenko OA, Vinokurov NA, Arbuzov VS, et al. The Novosibirsk free-electron laser facility. Bull Russ Acad Sci Phys 2019; 83: 228-231. DOI: 10.3103/S1062873819020278.
  29. Idehara T, Sabchevski SP, Glyavin M, Mitsudo S. The gyrotrons as promising radiation sources for THz sensing and imaging. Appl Sci 2020; 10: 980. DOI: 10.3390/app10030980.
  30. Osintseva ND, Gerasimov VV, Knyazev BA, Komlenok MS, Pavelyev VS, Yablokov DE. Terahertz Bessel and “perfect” vortex beams generated with a binary axicon and axicon with continuous relief. Computer Optics 2022; 46(3): 375-380. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1066.
  31. Pavelyev V, Khonina S, Degtyarev S, Tukmakov K, Reshetnikov A, Gerasimov V, Osintseva N, Knyazev B. Subwavelength diffractive optical elements for generation of terahertz coherent beams with pre-given polarization state. Sensors 2023; 23(3): 1579. DOI: 10.3390/s23031579.
  32. Choporova YuYu, Knyazev BA, Kulipanov GN, Pavelyev VS, Scheglov MA, Vinokurov NA, Volodkin BO, Zhabin VN. High-power Bessel beams with orbital angular momentum in the terahertz range. Phys Rev A 2017; 96(2): 023846. DOI: 10.1103/PhysRevA.96.023846.
  33. Kharitonov SI, Pavelyev VS, Kazanskiy NL, Strelkov YS, Tukmakov KN, Reshetnikov AS, Ganchevskaya SV, Gerasimov VV, Knyazev BA. Optimization, fabrication and characterization of a binary subwavelength cylindrical lens for the terahertz range. Computer Optics 2023; 47(1): 62-67. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1194.
  34. Agafonov AN, Volodkin BO, Kaveev AK, Knyazev BA, Kropotov GI, Pavel’ev VS, Soifer VA, Tukmakov KN, Tsygankova EV, Choporova YuYu. Silicon diffractive optical elements for high-power monochromatic terahertz radiation. Optoelectron Instrum Data Process 2013; 49(2): 189-195. DOI: 10.3103/S875669901302012X.
  35. Ordal MA, Long LL, Bell RJ, Bell SE, Bell RR, Alexander RW Jr, Ward CA. Optical properties of the metals Al, Co, Cu, Au, Fe, Pb, Ni, Pd, Pt, Ag, Ti, and W in the infrared and far infrared. Appl Opt 1983; 22(7): 1099-1120. DOI: 10.1364/AO.22.001099.
  36. Agafonov AN, Knyazev BA, Pavel’ev VS, Akhmetova EI, Platonov VI. Elements of the terahertz power reflective optics with free-form surfaces. Optoelectron Instrument Proc 2019; 55: 148-153. DOI: 10.3103/S8756699019020067.
  37. Safronov A, Safronov L. Rectangular electrical connectors. Some questions of the theory and technology of pressure casting of parts from non-ferrous metal alloys. Technologies in the Electronic Industry 2015; 4: 57-63.
  38. Kozlov AM, Malyutin GE. Improving the accuracy of conca VE shaped surfaces in finish milling on CNC machines [In Russian]. News of TulGU. Engineering sciences 2016; 8-2: 120-131.
  39. Choporova Y, Knyazev B, Mitkov M, Osintseva N, Pavelyev V. Simulation of propagation and transformation of THz Bessel beams with orbital angular momentum. Physics Procedia 2016; 84: 175-183. DOI: 10.1016/j.phpro.2016.11.031.
  40. Knyazev BA, Choporova YuYu, Gerasimov VV, Kameshkov OE, Khasanov ISh, Krasnopevtsev SE, Nikitin AK, Osintseva ND, Pavelyev VS, Tukmakov KN, Reshetnikov AS. Techniques for generation of annular surface plasmon polaritons with refractive binary and reflective cylindrical diffraction gratings. AIP Conf Proc 2020; 2299(1): 030011. DOI: 10.1063/5.0030354.
  41. Kozlov G, Volkov A. Coherent source submillimeter wave spectroscopy. In Book: Grüner G, ed. Millimeter and submillimeter wave spectroscopy of solids. Vol 74. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag; 1998: 51-109. DOI: 10.1007/BFb0103420.
  42. Osintseva ND, Volodkin BO, Knyazev BA, Pavelyev VS, Choporova YuYu. Features of rotating Bessel beams formed using binary axicons [In Russian]. Collection of proceedings of the III international conference and youth school “Information technologies and nanotechnologies” (ITNT-2017). Samara: “Novaya Tehnika” Publisher; 2017: 294-300.

© 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