(48-6) 04 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Прямое измерение общего орбитального углового момента в астигматических структурированных пучках и потеря ими нескольких степеней свободы
А.В. Воляр 1, Е.Г. Абрамочкин 2, М.В. Брецько 1, Я.Е. Акимова 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, 1797 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1506

Страницы: 832-840.

Аннотация:
В статье показано, что модель астигматического структурированного пучка, полученная ABCD матричным методом, оказывается более простой и наглядной по сравнению с подходом на основе интегральных преобразований (статья Воляр, А.В. Управление гигантскими всплесками орбитального углового момента структурированных Лагерр–Гауссовых пучков в среде с общим астигматизмом / А.В. Воляр, Е.Г. Абрамочкин, М.В. Брецько, С.И. Халилов, Я.Е. Акимова // Компьютерная оптика. – 2024. – Т. 48, № 1. – С. 35-46. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1395). Мы детально изучили физические механизмы формирования экстремальных значений орбитального углового момента после цилиндрической линзы при общем астигматизме. Исследования спектра мод структурированного пучка позволили разработать новый метод измерения общего в структурированном пучке, основанный на единственном измерении перекрестного момента интенсивности при компьютерной обработке картины интенсивности. Показано, что в основе таких упрощенных измерений лежит вырождение недиагональных элементов W и M субматриц, что снижает число дополнительных степеней свободы структурированного пучка с десяти до семи.

Ключевые слова:
структурированный свет, астигматические пучки, ABCD-матрицы, орбитальный угловой момент, моменты интенсивности.

Благодарности
Авторы благодарят С.И. Халилова за предоставленные экспериментальные результаты.
     Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект №24-22-00278) в части «Комплексная амплитуда структурированного пучка Лагерра–Гаусса» и «Астигматическое преобразование структурированного пучка Лагерра–Гаусса».

Цитирование:
Воляр, А.В. Прямое измерение общего орбитального углового момента в астигматических структурированных пучках и потеря ими нескольких степеней свободы / А.В. Воляр, Е.Г. Абрамочкин, М.В. Брецько, Я.Е. Акимова // Компьютерная оптика. – 2024. – Т. 48, № 6. – С. 832-840. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1506.

Citation:
Volyar AV, Abramochkin EG, Bretsko MV, Akimova YE. Direct measuring the total orbital angular momentum in astigmatic structured beams and the loss of several degrees of freedom. Computer Optics 2024; 48(6): 832-840. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1506.

References:
  1. Forbes A, de Oliveira M, Dennis MR. Structured light. Nat Photonics 2021; 15: 253-262. DOI: 10.1038/s41566-021-00780-4.
  2. Porfirev AP, Kuchmizhak AA, Gurbatov SO, Juodkazis S, Khonina SN, Kulchin YuN. Phase singularities and optical vortices in photonics. Phys Usp 2022; 65: 789-811. DOI: 10.3367/UFNe.2021.07.039028.
  3. He C, Shen Y, Forbes A. Towards higher-dimensional structured light. Light Sci Appl 2022; 11: 205. DOI: 10.1038/s41377-022-00897-3.
  4. Khonina SN, Kotlyar VV, Soifer VA. Diffraction optical elements matched to the Gauss-Laguerre modes. Opt Spectrosc 1998; 85(4): 636-644.
  5. Khonina SN, Kotlyar VV, Skidanov RV, Soifer VA, Laakkonen P, Turunen J. Gauss-Laguerre modes with different indices in prescribed diffraction orders of a diffractive phase element. Opt Commun 2000; 175(4-6): 301-308. DOI: 10.1016/S0030-4018(00)00472-7.
  6. 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.
  7. Soskin MS, Gorshkov VN, Vasnetsov MV, Malos JT, Heckenberg NR. Topological charge and angular momentum of light beams carrying optical vortices. Phys Rev A 1997; 56: 4064-4075. DOI: 10.1103/PhysRevA.56.4064.
  8. Chen M, Roux FS, Olivier JC. Detection of phase singularities with a Shack-Hartmann wavefront sensor. J Opt Soc Am A 2007; 24: 1994-2002. DOI: 10.1364/JOSAA.24.001994.
  9. Otte E, Bobkova V, Trinschek S, Rosales-Guzmán C, Denz C. Single-shot all-digital approach for measuring the orbital angular momentum spectrum of light. APL Photonics 2022; 7(8): 086105. DOI: 10.1063/5.0086536.
  10. 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.
  11. Volyar AV, Bretsko MV, Akimova YaE, Egorov YuA. Shaping and processing the vortex spectra of singular beams with anomalous orbital angular momentum. Computer Optics 2019; 43(4): 517-527. DOI: 10.18287/2412-6179-2019-43-4-517-527.
  12. Volyar A, Abramochkin E, Akimova Ya, Bretsko M, Egorov Yu. 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.
  13. Alperin SN, Niederiter RD, Gopinath JT, Siements KE. Quantitative measurement of the orbital angular momentum of light with a single, stationary lens. Opt Lett 2016; 41(21): 5019-5022. DOI: 10.1364/OL.41.005019.
  14. Kotlyar VV, Kovalev AA, Porfirev AP. Methods for determining the orbital angular momentum of a laser beam. Computer Optics 2019; 43(1): 42-53. DOI: 10.18287/2412-6179-2019-43-1-42-53.
  15. Arnaud JA, Kogelnik H. Gaussian light beams with general astigmatism. Appl Opt 1969; 8: 1687-1693. DOI: 10.1364/AO.8.001687.
  16. Volyar AV, Abramochkin EG, Bretsko MV, Khalilov SI, Akimova YE. Control of giant orbital angular momentum bursts of structured Laguerre-Gaussian beams in a medium with general astigmatism. Computer Optics 2024; 48(1): 35-46. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1395.
  17. Volyar AV, Bretsko MV, Khalilov SI, Akimova YE. Orbital angular momentum burst control in astigmatic structured beams in ABCD-matrix transforms. Computer Optics 2024; 48(2): 171-179. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1411.
  18. Abramochkin E, Volostnikov V. Beam transformations and nontransformed beams. Opt Commun 1991; 83(1): 123-135. DOI: 10.1016/0030-4018(91)90534-K.
  19. Abramochkin E, Volostnikov V. Modern optics of Gaussian beams [In Russian]. Moscow: “Fizmatlit” Publishers; 2010. ISBN: 978-5-9221-1216-1.
  20. Nemes G, Serna J. Laser beam characterization with use of second order moments: an overview. DPSS (Diode Pumped Solid State) lasers: applications and issues 1998; MQ: MQ2. DOI: 10.1364/DLAI.1998.MQ2.
  21. Gerrard A, Burch JM. Introduction to matrix methods in optics. London, New York: Wiley; 1975. ISBN: 0-486-68044-4.
  22. Alieva T, Bastiaans MJ. Alternative representation of the linear canonical integral transform. Opt Lett 2005; 30: 3302-3304. DOI: 10.1364/OL.30.003302.
  23. Kotlyar VV, Kovalev AA, Porfirev AP. Determination of an optical vortex topological charge using an astigmatic transform. Computer Optics 2016; 40(6): 781-792. DOI: 10.18287/2412-6179-2016-40-6-781-792.
  24. Kotlyar VV, Kovalev AA. Orbital angular momentum of structurally stable laser beams. Computer Optics 2022; 46(4): 517-521. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1108.
  25. Luneburg RK. Mathematical theory of optics. Berkeley: University of California Press; 1966. ISBN: 978-0520007802.
  26. Bekshaev AY, Soskin MS, Vasnetsov MV. Optical vortex symmetry breakdown and decomposition of the orbital angular momentum of light beams. J Opt Soc Am A 2003; 20: 1635-1643. DOI: 10.1364/JOSAA.20.001635.
  27. Abramochkin EG, Volostnikov VG. Generalized Hermite-Laguerre-Gauss beams. Phys Wave Phenom 2010; 18: 14-22. DOI: 10.3103/S1541308X10010036.
  28. Nemes G, Siegman AE. Measurement of all ten second-order moments of an astigmatic beam by the use of rotating simple astigmatic (anamorphic) optics. J Opt Soc Am A 1994; 11: 2257-2264. DOI: 10.1364/JOSAA.11.002257.
  29. ISO 11146-2:2021. Lasers and laser-related equipment – Test methods for laser beam widths, divergence angles and beam propagation ratios – Part 2: General astigmatic beams. Geneva, Switzerland: ISO; 2021.
  30. Nemes G. Intrinsic and geometrical beam classification, and the beam identification after measurement. Proc SPIE 2003; 4932: 624-635. DOI: 10.1117/12.472380.
  31. Kotlyar VV, Kovalev AA, Porfirev AP. Astigmatic laser beams with a large orbital angular momentum. Opt Express 2018, 26(1): 141-156. DOI: 10.1364/OE.26.000141.

© 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