(50-1) 03 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Действие обобщённой спиральной фазовой пластинки с немонотонной угловой зависимостью фазы
А.В. Устинов1, В.И. Логачев2, С.Н. Хонина1,2

1Институт систем обработки изображений, НИЦ «Курчатовский институт», 443001, Россия, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 151;
2Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва, 443086, Россия, г. Самара, Московское шоссе, д. 34

  Полный текст (PDF)

DOI: 10.18287/COJ1671

ID статьи: 1671

Аннотация:
Предложен метод формирования световых кривых с высокой эффективностью с использованием секторных обобщённых спиральных фазовых пластинок с немонотонной угловой зависимостью фазы. Предложенный метод базируется на кусочно-линейной аппроксимации производной фазовой функции и сегментировании обобщённой спиральной фазовой пластинки. Представленные результаты демонстрируют возможность формирования световых кривых с достаточно произвольной геометрией, что расширяют спектр подходов эффективного формирования световых кривых с заданным распределением интенсивности.

Ключевые слова:
обобщённая спиральная фазовая пластинка, прямая задача дифракции, обратная задача дифракции, немонотонная функция.

Благодарности:
Работа проведена в рамках выполнения государственного задания НИЦ «Курчатовский институт».

Цитирование:
Устинов, А.В. Действие обобщённой спиральной фазовой пластинки с немонотонной угловой зависимостью фазы / А.В. Устинов, В.И. Логачев, С.Н. Хонина // Компьютерная оптика. - 2026. - Т. 50, - № 1. - 1671. - DOI: 10.18287/COJ1671.

Citation:
Ustinov AV, Logachev VI, Khonina SN. Action of a generalized spiral phase plate with non-monotonic angular dependence of the phase. Computer Optics 2026; 50(1): 1671. DOI: 10.18287/COJ1671.

References:

  1. Beijersbergen MW, Coerwinkel RPC, Kristensen M, Woerdman JP. Helical-wave-front laser-beams produced with a spiral phaseplate. Opt Commun 1994; 112(5-6): 321-327. DOI: 10.1016/0030-4018(94)90638-6.
  2. Oemrawsingh SSR, van Houwelingen JAW, Eliel ER, Woerdman JP, Verstegen EJK, Kloosterboer JG, and Hooft GW. Production and characterization of spiral phase plates for optical wavelengths. Appl Opt 2004; 43: 688-694. DOI: 10.1364/AO.43.000688
  3. Fedorov VV, Volyar AV. Spiral phase plates for laser beams transformation. Proc SPIE 2006; 6254: 62541G.
  4. Caño-García M, Quintana X, Otón JM, Geday MA. Dynamic multilevel spiral phase plate generator. Sci Rep 2018; 8: 15804. DOI: 10.1038/s41598-018-34041-2.
  5. Kostyuk G, Shkuratova V, Petrov A, Stepanyuk D, Zakoldaev R. Spiral phase plate for generation of scalar vortex beam made on fused silica by laser-induced microplasma. Opt Quantum Electron 2023; 55: 344. DOI: 10.1007/s11082-022-04491-0.
  6. Soskin MS, Gorshkov VN, Vastnetsov MV, Malos JT, Heckenberg NR. Topological charge and angular momentum of light beams carrying optical vortex. Phys Rev A 1997; 56(5): 4064-4075. DOI: 10.1103/PhysRevA.56.4064.
  7. Guo CS, Lu LL, Wang HT. Characterizing topological charge of optical vortices by using an annular aperture. Opt Lett 2009; 34(23): 3686-3688. DOI: 10.1364/OL.34.003686.
  8. Jankowski T, Bennis N, Morawiak P, Zografopoulos DC, Pakuła A, Filipiak M, Słowikowski M, López-Higuera JM, Algorri JF. Optical vortices by an adaptive spiral phase plate. Opt Las Techn 2024; 176: 111029. DOI: 10.1016/j.optlastec.2024.111029.
  9. Chen J, Kuang DF, Gui M, Fang ZL. Generation of optical vortex using a spiral phase plate fabricated in quartz by direct laser writing and inductively coupled plasma etching. Chin Phys Lett 2009; 26(1): 014202. DOI: 10.1088/0256-307X/26/1/014202.
  10. 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.
  11. Porfirev AP, Kuchmizhak AA, Gurbatov SO, Juodkazis S, Khonina SN, Kulchin YuN. Phase singularities and optical vortices in photonics. Phys Usp 2022; 65(8): 789-811. DOI: 10.3367/UFNe.2021.07.039028.
  12. McGloin D. Optical tweezers: 20 years on. Phil Trans R Soc A 2006; 364(1849): 3521-3537. DOI: 10.1098/rsta.2006.1891.
  13. Chen M, Mazilu M, Arita Y, Wright EM, and Dholakia K. Dynamics of microparticles trapped in a perfect vortex beam. Opt Lett 2013; 38: 4919-4922. DOI: 10.1364/OL.38.004919
  14. Liu C. Vortex beam and its application in optical tweezers. J Phys: Conf Ser 2020; 1549: 032012. DOI: 10.1088/1742-6596/1549/3/032012.
  15. Tamburini F, Anzolin G, Umbriaco G, Bianchini A, Barbieri C. Overcoming the Rayleigh criterion limit with optical vortices. Phys Rev Lett 2006; 97: 163903. DOI: 10.1103/PhysRevLett.97.163903.
  16. Khonina SN. Vortex beams with high-order cylindrical polarization: features of focal distributions. Appl Phys B 2019; 125: 100. DOI: 10.1007/s00340-019-7212-1.
  17. Liu J-j, Liang B, Cheng J-c. Focusing a two-dimensional acoustic vortex beyond diffraction limit on an ultrathin structured surface. Phys Rev Applied 2021; 15: 014015. DOI: 10.1103/PhysRevApplied.15.014015.
  18. Qiao Z, Wan Z, Xie G, Wang J, Qian L, Fan D. Multi-vortex laser enabling spatial and temporal encoding. PhotoniX 2020; 1: 13. DOI: 10.1186/s43074-020-00013-x.
  19. Fang X, Ren H, Gu M. Orbital angular momentum holography for high security encryption. Nat Photonics 2020; 14(2): 102-108. DOI: 10.1038/s41566-019-0560-x.
  20. Wang X, Song Y, Pang F, Li Y, Zhang Q, Zhuang L, Guo X, Ju Y, He X, Yang S, Yang Y. Coding and decoding data by multiplexing vortex beams in free space. Opt Commun 2020; 472: 125909. DOI: 10.1016/j.optcom.2020.125909.
  21. Ambrosio A, Marrucci L, Borbone F, Roviello A, Maddalena P. Light-induced spiral mass transport in azo-polymer films under vortex-beam illumination. Nat Commun 2012; 3: 989. DOI: 10.1038/ncomms1996.
  22. Ni J, Huang C, Zhou LM, Gu M, Song Q, Kivshar Y, Qiu CW. Multidimensional phase singularities in nanophotonics. Science 2021; 374(6566): eabj0039. DOI: 10.1126/science.abj0039.
  23. Porfirev A, Khonina S, Kuchmizhak A. Light-matter interaction empowered by orbital angular momentum: Control of matter at the micro-and nanoscale. Progress in Quantum Electronics 2023; 88: 100459. DOI: 10.1016/j.pquantelec.2023.100459.
  24. Li P, Liu S, Peng T, Xie G, Gan X, Zhao J. Spiral autofocusing Airy beams carrying power-exponent-phase vortices. Opt Express 2014; 22(7): 7598-7606. DOI: 10.1364/OE.22.007598.
  25. Lao G, Zhang Z, Zhao D. Propagation of the power-exponent-phase vortex beam in paraxial ABCD system. Opt Express 2016; 24(16): 18082-18094. DOI: 10.1364/OE.24.018082.
  26. Khonina SN, Ustinov AV, Logachev VI, Porfirev AP. Properties of vortex light fields generated by generalized spiral phase plates. Phys Rev A 2020; 101: 043829. DOI: 10.1103/PhysRevA.101.043829.
  27. Ustinov AV, Khonina SN, Khorin PA, Porfirev AP. Control of the intensity distribution along the light spiral generated by a generalized spiral phase plate. J Opt Soc Am B 2021; 38(2): 420-427. DOI: 10.1364/JOSAB.408884.
  28. Ustinov AV, Khonina SN, Porfirev AP. Formation of inverse energy flux in the case of diffraction of linearly polarized radiation by conventional and generalized spiral phase plates. Photonics 2021; 8(7): 283. DOI: 10.3390/photonics8070283.
  29. Novitsky A, Novitsky D. Negative propagation of vector Bessel beams. J Opt Soc Am A 2007; 24(9): 2844-2849. DOI: 10.1364/JOSAA.24.002844.
  30. Vaveliuk P, Martinez-Matos O. Negative propagation effect in nonparaxial Airy beams. Opt Express 2012; 20(24): 26913-26921. DOI: 10.1364/OE.20.026913.
  31. Kotlyar VV, Stafeev SS, Nalimov AG. Energy backflow in the focus of a light beam with phase or polarization singularity. Phys Rev A 2019; 99(3): 033840. DOI: 10.1103/PhysRevA.99.033840.
  32. Zaitsev VD, Stafeev SS, Kotlyar VV. Formation of a Reverse Energy Flow by Focusing Light with Quartz Glass Micro-Objects. Nanotechnol Russia 2022; 17: 909-914. DOI: 10.1134/S2635167622060209
  33. Han L, Qi J, Gao C, Li F. Controllable reverse energy flow in the focus of tightly focused hybrid vector beams. Opt Express 2004; 32(21): 36865-36874. DOI: 10.1364/OE.536888.
  34. Khonina SN, Ustinov AV, Porfirev AP. Diatom optical element: a quantized version of the generalized spiral lens. Opt Lett 2022; 47(16): 3988-3991. DOI: 10.1364/OL.469113.
  35. Ustinov AV, Logachev VI, Khonina SN. Calculation of the transmission function of a generalized spiral phase plate to form a given curve. Opt Mem Neural Netw 2024; 33(1): S34-S42. DOI: 10.3103/S1060992X24700280.
  36. Abramowitz M, Stegun IA. Handbook on mathematical functions with formulas, graphs and mathematical tables. New York: Dover; 1964.
  37. Oliker VI. Mathematical aspects of design of beam shaping surfaces in geometrical optics. In Book: Kirkilionis M, Krömker S, Rannacher R, Tomi F, eds. Trends in nonlinear analysis. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag; 2003: 193-224. DOI: 10.1007/978-3-662-05281-5_4.
  38. Doskolovich LL, Dmitriev AY, Bezus EA, Moiseev MA. Analytical design of freeform optical elements generating an arbitrary-shape curve. Appl Opt 2013; 52(12): 2521-2526. DOI: 10.1364/AO.52.002521.
  39. Whyte G, Courtial J. Experimental demonstration of holographic three-dimensional light shaping using a Gerchberg-Saxton algorithm. New J Phys 2005; 7(1): 117. DOI: 10.1088/1367-2630/7/1/117.
  40. Lopez-Aguayo S, Kartashov YV, Vysloukh VA, Torner L. Method to generate complex quasi nondiffracting optical lattices. Phys Rev Lett 2010; 105: 013902. DOI: 10.1103/PhysRevLett.105.013902.
  41. Hsu W-F, Lin S-C. Iterative pixelwise approach applied to computer-generated holograms and diffractive optical elements. Appl Opt 2018; 57(1): A189-A196. DOI: 10.1364/AO.57.00A189.
  42. Doskolovich LL, Mingazov AA, Bykov DA, Andreev ES, Bezus EA. Variational approach to calculation of light field eikonal function for illuminating a prescribed region. Opt Express 2017; 25: 26378-26392. DOI: 10.1364/OE.25.026378.
  43. Khorin PA, Volotovsky SG. Calculation of a diffraction-free beam with the given transverse intensity distribution using an iterative algorithm. Proc SPIE 2023; 12743: 127430U. DOI: 10.1117/12.2674181.
  44. Vijayakumar A, Bhattacharya S. Design, fabrication and evaluation of diffractive optical elements for generation of focused ring patterns. Proc SPIE 2015; 9449: 944902. DOI: 10.1117/12.2077407.
  45. Ortiz-Ambriz A, Lopez-Aguayo S, Kartashov YV, Vysloukh VA, Petrov D, Garcia-Gracia H, Gutiérrez-Vega JC, Torner L. Generation of arbitrary complex quasi-non-diffracting optical patterns. Opt Express 2013; 21(19): 22221-22231. DOI: 10.1364/OE.21.022221.
  46. Khonina SN, Porfirev AP, Volotovskiy SG, Ustinov AV, Karpeev SV. Simple method of light field calculation for shaping of 3D light curves. Photonics 2023; 10(8): 941. DOI: 10.3390/photonics10080941.
  47. Siemion A. The Magic of Optics---An Overview of Recent Advanced Terahertz Diffractive Optical Elements. Sensors. 2021; 21(1):100. DOI: 10.3390/s21010100

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