(48-1) 04 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Управление гигантскими всплесками орбитального углового момента структурированных Лагерр–Гауссовых пучков в среде с общим астигматизмом
А.В. Воляр 1, Е.Г. Абрамочкин 2, М.В. Брецько 1, С.И. Халилов 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, 2212 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1395

Страницы: 35-46.

Аннотация:
В статье теоретически и экспериментально рассмотрено влияние астигматического элемента (например, цилиндрической линзы) на структурированный пучок Лагерра–Гаусса, когда оси линзы ориентированы под произвольным углом к лабораторным координатным осям (общий астигматизм). Хотя структурно устойчивый Лагерр–Гауссов пучок содержит множество осесимметричных мод, согласованных между собой по фазам и амплитудам, их суперпозиция уже теряет исходную осевую симметрию, но приобретает новые свойства (например, быстрые осцилляции орбитального углового момента ), при этом орбитальный угловой момент пучка не может превышать азимутальное число l исходной ЛГ-моды. Потеря осевой симметрии возникает за счет внесения фазовых и амплитудных возмущений каждой моды структурированного пучка Лагерра–Гаусса, которые разрушают кольцевые дислокации. Поскольку вырожденные кольцевые дислокации образованы оптическими вихрями с противоположными топологическими зарядами, но равными весами, то их разрушение сопровождается появлением пар оптических вихрей в виде топологических диполей (их количество равно радиальному числу n). В результате расширяется спектр мод структурированного пучка Лагерра–Гаусса до величины ± (2n + l). Астигматический элемент (цилиндрическая линза) нарушает равенство весов в диполях, что приводит к резкому возрастанию орбитального углового момента всего структурированного пучка Лагерра–Гаусса. Причем величиной орбитального углового момента можно управлять, меняя наклон осей цилиндрической линзы и управляющие параметры структурированного пучка Лагерра–Гаусса. Именно эти процессы подробно рассмотрены в статье как в теоретическом, так и экспериментальном аспектах. В результате мы показали, что при определенной ориентации осей цилиндрической линзы орбитальный угловой момент пучка может превышать суммы орбитального и азимутального числа (ОУМ > n + l). Кроме того, мы обнаружили, что картина интенсивности астигматического структурированного пучка Лагерра–Гаусса может следовать за поворотом осей астигматического элемента (эффект отслеживания структурой пучка оси вращения цилиндрической линзы) при определенных соотношениях между управляющими параметрами структурированного пучка Лагерра–Гаусса и астигматического элемента.

Ключевые слова:
вихревые пучки, структурированный свет, орбитальный угловой момент.

Благодарности
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант 23-22-00314).

Цитирование:
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.

Citation:
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.

References:
  1. Willner AE, Song H, Zou K, Zhou H, Su X. Orbital angular momentum beams for high-capacity communications. J Lightwave Technol 2023; 41(7): 1918-1933. DOI: 10.1109/JLT.2022.3230585.
  2. Rubinsztein-Dunlop H, Forbes A, Berry MV, Dennis MR, Andrews DL, Mansuripur M, Denz C, Alpmann C, Banzer P, Bauer T, Karimi E, Marrucci L, Padgett M, Ritsch-Marte M, Litchinitser NM, Bigelow NP, Rosales-Guzmán C, Belmonte A, Torres JP, Neely TW, Baker M, Gordon R, Stilgoe AB, Romero J, White AG, Fickler R, Willner AE, Xie G, McMorran B, Weiner AM. Roadmap on structured light. J Opt 2017; 19: 013001. DOI: 10.1088/2040-8978/19/1/013001.
  3. 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(7): 820-831. DOI: 10.1364/OPTICA.382994.
  4. Kotlyar VV, Kovalev AA, Porfirev AP. Vortex laser beams. Boca Raton: CRC Press; 2019. ISBN: 978-1-1385-4211-2.
  5. 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.
  6. He C, Shen Y, Forbes A. Towards higher-dimensional structured light. Light Sci Appl 2022; 11: 205. DOI: 10.1038/s41377-022-00897-3.
  7. Wan Z, Wang Z, Yang X, Shen Y, Fu X. Digitally tailoring arbitrary structured light of generalized ray-wave duality. Opt Express 2020; 28(21): 31043-31056. DOI: 10.1364/OE.400587.
  8. Singh K, Buono W, Forbes A, Dudley A. Accelerating polarization structures in vectorial fields. Opt Express 2021; 29(2): 2727-2737. DOI: 10.1364/OE.411029.
  9. Scholes S, Kara R, Pinnell J, Rodriguez-Fajardo V, Forbes A. Structured light with digital micro-mirror devices: a guide to best practice. Opt Eng 2019; 59(4): 041202. DOI: 10.1117/1.OE.59.4.041202.
  10. De Oliviera M, Nape I, Pinnell J, Tabebordbar N, Forbes A. Experimental high-dimensional quantum secret sharing with spin-orbit-structured photons. Phys Rev A 2020; 101(4): 042303. DOI: 10.1103/PhysRevA.101.042303.
  11. Forbes A. Sculpturing electric currents with structured light. Nat Photonics 2020; 14: 656-657. DOI: 10.1038/s41566-020-00705-7.
  12. Shen Y, Wan Z, Meng Y, Fu X, Gong M. Polygonal Vortex Beams. IEEE Photon J 2018; 10(4): 503016. DOI: 10.1109/JPHOT.2018.2858845.
  13. Lin Z, Hu J, Chen Y, Brès C-S, Yu S. Single-shot Kramers–Kronig complex orbital angular momentum spectrum retrieval. Adv Photonics 2023; 5(3): 036006. DOI: 10.1117/1.AP.5.3.036006.
  14. Shen Y, Zayats AV. Topology, skyrmions, and superoscillation of structured light. Proc SPIE 2023; PC12436: PC1243606. DOI: 10.1117/12.2653880.
  15. Shen Y, Wang X, Xie Z, Min C, Fu X, Liu Q, Gong M, Yuan X. Optical vortices 30 years on: OAM manipulation fromtopological charge to multiple singularities. Light Sci Appl 2019; 8: 90. DOI: 10.1038/s41377-019-0194-2.
  16. Forbes A, de Oliveira M, Dennis M. Structured light. Nat Photon 2021; 15: 253-262. DOI: 10.1038/s41566-021-00780-4.
  17. Izdebskaya Ya, Shvedov V, Volyar A. 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.
  18. Volyar A, Shvedov V, Fadeyeva T, Desyatnikov AS, Neshev DN, Krolikowski W, Kivshar YuS. Generation of single-charge optical vortices with an uniaxial crystal. Opt Express 2006; 14: 3724-3729. DOI: 10.1364/OE.14.003724.
  19. Fadeyeva T, Alexeyev C, Rubass A, Volyar A. Vector erf-Gaussian beams: fractional optical vortices and asymmetric TE and TM modes. Opt Lett 2012; 37: 1397-1399. DOI: 10.1364/OL.37.001397.
  20. Gbur GJ. Singular optics. New York: CRC Press; 2017. DOI: 10.1201/ 9781315374260.
  21. Soifer VA, Golub MA. Laser beam mode selection by computer-generated holograms. Boca Raton: CRC Press; 1994. ISBN: 978-0-8493-2476-5.
  22. 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.
  23. Daukantas P. Structured light without distortion. Optics and Photonics News. 2023. Source: <https://www.optica-opn.org/home/newsroom/2023/february/structured_light_without_distortion/>.
  24. Palagi S, Mark AG, Reigh SY, Melde K, Qiu T, Zeng H, Parmeggiani C, Martella D, Sanchez-Castillo A, Kapernaum N, Giesselmann F, Wiersma DS, Lauga E, Fischer P. Structured light enables biomimetic swimming and versatile locomotion of photoresponsive soft microrobots. Nat Mater 2016; 15(6): 647-653. DOI: 10.1038/nmat4569.
  25. Wang X-L, Cai X-D, Su Z-E, Chen M-C, Wu D, Li L, Liu N-L, Lu C-Y, Pan J-W. Quantum teleportation of multiple degrees of freedom of a single photon. Nature 2015; 518: 516-519. DOI: 10.1038/nature14246.
  26. Lukin VP. Outer scale of turbulence and its influence on fluctuations of optical waves. Phys Usp 2021; 191(3): 292-317. DOI: 10.3367/UFNe.2020.10.038849.
  27. Aksenov VP, Dudorov VV, Kolosov VV, Levitsky ME. Synthesized vortex beams in the turbulent atmosphere. Front Phys 2020; 143. DOI: 10.3389/fphy.2020.00143.
  28. Cox MA, Mphuthi N, Nape I, Mashaba N, Cheng L, Forbes A. Structured light in turbulence. IEEE J Sel Top Quantum Electron 2021; 27(2): 7500521. DOI: 10.1109/JSTQE.2020.3023790.
  29. Klug A, Peters C, Forbes A. Robust structured light in atmospheric turbulence. Adv Photonics 2023; 5: 016006. DOI: 10.1117/1.AP.5.1.016006.
  30. Abramochkin EG, Volostnikov VG. Modern Optics of Gaussian Beams [In Russian]. Moskow: "Fizmatlit" Publisher; 2010. ISBN: 978-5-9221-1216-1.
  31. Volyar AV, Bretsko MV, Akimova YaE, Egorov YuA. Beyond the light intensity or intensity moments and measurements of the vortex spectrum in complex light beams. Computer Optics 2018; 42(5): 736-743. DOI: 10.18287/2412-6179-2017-42-5-736-743.
  32. 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.
  33. Allen L, Barnett SM, Padgett MJ. Optical angular momentum. Boca Raton: CRC Press; 2003. ISBN: 9780429174940.
  34. Torres JP, Torner L. Twisted photons: applications of light with orbital angular momentum. Bristol: Wiley-VCH; 2011. ISBN: 9783527635375.
  35. Kotlyar VV, Kovalev AA, Nalimov AG. Topological charge of optical vortices. Boca Raton: CRC Press; 2022. ISBN: 978-1-032-34553-6.
  36. Berry MV. Wave dislocation reactions in non-paraxial gaussian beams. J Mod Opt 1998; 45(9): 1845-1858. DOI: 10.1080/09500349808231706.
  37. Vasnetsov MV, Gorshkov VN, Marienko IG, Soskin MS. Wavefront motion in the vicinity of a phase dislocation: “optical vortex”. Opt Spectrosc 2000; 88(2): 260-265. DOI: 10.1134/1.626789.
  38. Kreminskaya LV, Soskin MS, Khizhnyak AI. The Gaussian lenses give birth to optical vortices in laser beams. Opt Commun 1998; 145(1): 377-384. DOI: 10.1016/S0030-4018(97)00473-2.
  39. Soskin MS, Vasnetsov MV. Singular optics. Ch 4. Amsterdam: Elsevier; 2001: 219-276. DOI: 10.1016/S0079-6638(01)80018-4.
  40. Volyar AV, Abramochkin EG, Bretsko MV, Akimova YE, Egorov YA. Can the radial number of vortex modes control the orbital angular momentum? Computer Optics 2022; 46(6): 853-863. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1169.
  41. Volyar A, Abramochkin E, Akimova Y, Bretsko M. Control of the orbital angular momentum via radial numbers of structured Laguerre–Gaussian beams. Opt Lett 2022; 47(10): 2402-2405. DOI: 10.1364/OL.459404.
  42. Volyar A, Abramochkin E, Akimova Y, Bretsko M. Super bursts of the orbital angular momentum in astigmatic-invariant structured LG beams. Opt Lett 2022; 47(21): 5537-5540. DOI: 10.1364/OL.474385.
  43. Pinnell J, Nape I, Sephton B, Cox MA, Rodríguez-Fajardo V, Forbes A. Modal analysis of structured light with spatial lightmodulators: A practical tutorial. J Opt Soc Am A 2020; 37: C146-C160. DOI: 10.1364/josaa.398712.
  44. Wang J, Liang Y. Generation and detection of structured light: A review. Front Phys 2021; 9: 688284. DOI: 10.3389/fphy.2021.688284.
  45. Forbes A, Dudley A, McLaren M. Creation and detection of optical modes with spatial light modulators. Adv Opt Photon 2016; 8(2): 200-227. DOI: 10.1364/AOP.8.000200.
  46. Flamm D, Grossmann DG, Sailer M, Kaiser M, Zimmermann F, Chen K, Jenne M, Kleiner J, Hellstern J, Tillkorn C, Sutter DH, Kumkar M. Structured light for ultrafast laser micro- and nanoprocessing. Opt Eng 2021; 60(2): 025105. DOI: 10.1117/1.OE.60.2.025105.
  47. Dennis MR, Alonso MA. Swings and roundabouts: optical Poincaré spheres for polarization and Gaussian beams. Phil TransR Soc A 2017; 375: 20150441. DOI: 10.1098/rsta.2015.0441.
  48. Shen Y, Wang Z, Fu X, Naidoo D, Forbes A. SU(2) Poincaré sphere: A generalized representation for multidimensional structured light. Phys Rev A 2020; 102: 031501(R). DOI: 10.1103/PhysRevA.102.031501.
  49. Hsieh C-L, Wang C-H, Сhung W-C, Liang H-C, Chen Y-F. Transition from eigenmodes to geometric modes characterized by the quantum SU(2) coupled oscillator model: a review. Opt Continuum 2023; 2(4): 738-750. DOI: 10.1364/OPTCON.484492.
  50. Gutierrez-Cuevas R, Wadood SA, Vamivakas AN, Alonso MA. Modal Majorana sphere and hidden symmetries ofstructured-Gaussian beams. Phys Rev Lett 2019; 125: 123903. DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.123903.
  51. 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: 798-805. DOI: 10.1364/JOSAB.31.000798.

© 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