(49-6) 02 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Измерение орбитальных параметров Стокса структурированных астигматических пучков в критических плоскостях оптической системы первого порядка
А.В. Воляр 1, 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

  PDF, 1607 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1677

Страницы: 876-884.

Аннотация:
Разработан и экспериментально воплощен метод измерения орбитальных параметров Стокса, включая орбитальный угловой момент как неоднородного астигматического пучка, так и однородного неастигматического структурированного пучка, в оптической системе первого порядка. В процессе измерений мы использовали свойства первой и второй критических плоскостей, возникающих вблизи фокусасферической линзы и ее двойного фокуса соответственно, которые являются плоскостями наблюдения. Теоретически и экспериментально обнаружено, что в критических плоскостях возникает не только равенство радиусов пучков в x- и y-направлениях, но также разность фаз Гуи в x- и y-компонентах испытывает резкие изменения на π/2 и 2πn, n=0, 1, 2, ..., в первой и второй критических плоскостях соответственно. Кроме того, в критических плоскостях проявляется эффект взаимности между поперечным моментом интенсивности Wxy и орбитальным угловым моментом, а также эффект самовосстановления всех параметров  пучка во второй критической плоскости, присущих исходному пучку. Эти свойства структурированного пучка позволяют найти все три орбитальных параметра Стокса посредством измерения трех Wxx, Wyy, Wxy моментов интенсивности с 4 % погрешности измерений, а также отобразить состояния пучка в виде прямого и обратного вращения траектории на орбитальную сферу Пуанкаре.

Ключевые слова:
пучки Лагерра–Гаусса, ABCD-матрица, структурированный свет, орбитальный угловой момент.

Благодарности
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект № 24-22-00278).

Цитирование:
Воляр, А.В. Измерение орбитальных параметров Стокса структурированных астигматических пучков в критических плоскостях оптической системы первого порядка / А.В. Воляр, М.В. Брецько, С.И. Халилов, Я.Е. Акимова // Компьютерная оптика. – 2025. – Т. 49, № 6. – С. 876-884. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1677.

Citation:
Volyar AV, Bretsko MV, Khalilov SI, Akimova YE. Measurement of the orbital Stokes parameters in structured astigmatic beams in critical planes of the first-order optical system. Computer Optics 2025; 49(6): 876-884. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1677.

References:
  1. Luneburg RK. Mathematical theory of optics. Berkeley, CA, USA: University of California Press; 1966.
  2. Arnaud JA, Kogelnik H. Gaussian light beams with general astigmatism. Appl Opt 1969; 8(8): 1687-1693. DOI: 10.1364/AO.8.001687.
  3. Abramochkin E, Volostnikov V. Beam transformations and nontransformed beams. Opt Commun 1991; 83(1): 123-135. DOI: 10.1016/0030-4018(91)90534-K.
  4. Bekshaev AYa, 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(8): 1635-1643. DOI: 10.1364/JOSAA.20.001635.
  5. Courtial J, Dholakia K, Allen L, Padgett MJ. Gaussian beams with very high orbital angular momentum. Opt Commun 1997; 144(4): 210-213. DOI: 10.1016/S0030-4018(97)00376-3.
  6. 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.
  7. Allen L, Beijersbergen MW, Spreeuw RJC, Woerdman JP. Orbital angular momentum of light and the transformation of Laguerre-Gaussian laser modes. Phys Rev A 1992; 45(11): 8185-8189. DOI: 10.1103/PhysRevA.45.8185.
  8. Franke-Arnold S, Allen L, Padgett M. Advances in optical angular momentum. Laser Photon Rev 2008; 2(4): 299-313. DOI: 10.1002/lpor.200810007.
  9. Zhang K, Wang Y, Yuan Y, Burokur SN. A review of orbital angular momentum vortex beams generation: From traditional methods to metasurfaces. Appl Sci 2020; 10(3): 1015. DOI: 10.3390/app10031015.
  10. Karpeev SV, Alferov S, Khonina SN. Generation and conversion of mode beams and their polarization states on the basis of diffractive optical elements application. Opt Eng 2013; 52(9): 091718. DOI: 10.1117/1.OE.52.9.091718.
  11. Abramochkin EG, Razueva EV, Volostnikov VG. Generalized Gaussian beams and its transformation in astigmatic optical systems. Vestnik Samarskogo Gosudarstvennogo Universiteta. Estestvenno-Nauchnaya Seriya 2006; 2(42): 103-121.
  12. Abramochkin E, Volostnikov V. Beam transformations and nontransformed beams. Opt Commun 1991; 83(1): 123-135. DOI: 10.1016/0030-4018(91)90534-K.
  13. Shvedov V, Krolikowski W, Volyar A, Neshev DN, Desyatnikov AS, Kivshar YuS. Focusing and correlation properties of white-light optical vortices. Opt Express 2005; 13(19): 7393-7398. DOI: 10.1364/OPEX.13.007393.
  14. Porfirev AP, Khonina SN, Ivliev NA, Porfirev DP. Formation of laser beams with a structured polarization distribution for the fabrication of spiral microreliefs in thin films of chalcogenide glasses. Computer Optics 2024; 48(5): 676-680. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1501.
  15. 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(9): 3724-3729. DOI: 10.1364/OE.14.003724.
  16. Volyar A, Abramochkin E, Akimova Ya, 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.
  17. 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.
  18. Kotlyar VV, Kovalev AA, Porfirev 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.
  19. Volyar A, Bretsko M, Khalilov S, Akimova Y. Simple direct measurement of the orbital stokes parameters in structured vortex beams. Photonics 2024; 11(11): 1095. DOI: 10.3390/photonics11111095.
  20. Volyar A, Abramochkin E, Bretsko M, Akimova Y. Engineering orbital angular momentum in structured beams in general astigmatic systems via symplectic matrix approach. Photonics 2024; 11(3): 191. DOI: 10.3390/photonics11030191.
  21. 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(8): 2257-2264. DOI: 10.1364/JOSAA.11.002257.
  22. Abramochkin EG, Volostnikov VG. Generalized Gaussian beams. J Opt A: Pure Appl Opt 2004; 6(5): S157-S161. DOI: 10.1088/1464-4258/6/5/001.
  23. 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.
  24. Anan’ev YuA, Bekshaev AYa. Theory of intensity moments for arbitrary light beams. Opt Spectrosc 1994; 76(4): 558-568.
  25. 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.

© 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