Лавинная неустойчивость орбитального углового момента оптических вихрей высших порядков
Воляр А.В., Брецько М.В., Акимова Я.Е., Егоров Ю.А.

Физико-технический институт ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского», Симферополь, Россия

Аннотация:
Представлены теоретические и экспериментальные исследования спектров оптических вихрей и орбитального углового момента комбинированных сингулярных пучков в виде суперпозиции мод Лагерра – Гаусса или Бесселя – Гаусса с «резонансными» амплитудами, зависящими от вещественного параметра. Если данный параметр является целым числом, то орбитальный угловой момент сингулярного пучка равен этому числу. Если вещественный параметр является дробным, то орбитальный угловой момент может быть либо существенно больше, либо много меньше ближайшего к значению параметра целого числа. При нецелом значении параметра пучка в его амплитуду делают вклад большое число пучков из суперпозиции с целыми топологическими зарядами. При целочисленном параметре пучка вклад в амплитуду делает только одна мода с топологическим зарядом, равным значению параметра пучка. В эксперименте сингулярные пучки с дробным орбитальным угловым моментом формировались с помощью бинарной амплитудной дифракционной решётки, согласованной с фазовой функцией сингулярного пучка. Измеренная степень корреляции между исходным пучком и пучком, восстановленным по спектру вихрей, была не ниже 90%.

Ключевые слова:
дифракционная оптика, обработка изображения, оптические вихри, орбитальный угловой момент, моменты интенсивности.

Цитирование:
Воляр, А.В.
Лавинная неустойчивость орбитального углового момента оптических вихрей высших порядков / А.В. Воляр, М.В. Брецько, Я.Е. Акимова, Ю.А. Егоров // Компьютерная оптика. – 2019. – Т. 43, № 1. – С. 14-24. – DOI: 10.18287/2412-6179-2019-43-1-14-24.

Литература:

  1. Gbur, G.J. Singular optics / G.J. Gbur. – New York: CRC Press, 2016. – ISBN: 978-1-4665-8077-0.
  2. Kotlyar, V.V. Vortex laser beams / V.V. Kotlyar, A.A. Kovalev, A.P. Porfirev. – Boca Raton, London, New York: Taylor & Francis Group, 2018. – ISBN: 978-1-138-54211-2.
  3. Allen, L. The orbital angular momentum of light: An introduction / L. Allen, M. Padget. – In: Twisted photons: Applications of light with orbital angular momentum / ed. by J. Torres, L. Torner. – Chap. 1. – Weinheim, Germany: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2011. – DOI: 10.1002/9783527635368.ch1.
  4. Wang, J. Terabit free-space data transmission employing orbital angular momentum multiplexing / J. Wang, J.-Y. Yang, I.M. Fazal, N. Ahmed, Y. Yan, H. Huang, Y.X. Ren, Y. Yue, S. Dolinar, M. Tur, A.E. Willner // Nature Photonics. – 2012. – Vol. 6. – P. 488-496. – DOI: 10.1038/nphoton.2012.138.
  5. Wright, E.M. Optical vortex cat states and their utility for creating macroscopic superpositions of persistent flows / E.M. Wright. – In: Twisted photons: Applications of light with orbital angular momentum / ed. by J. Torres, L. Torner. – Chap. 10. – Weinheim, Germany: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2011. – DOI: 10.1002/9783527635368.ch10.
  6. Mair, A. Entanglement of the orbital angular momentum states of photons / A. Mair, A. Vaziri, G. Weihs, A. Zeilinger // Nature. – 2001. – Vol. 412. – P. 313-316. – DOI: 10.1038/35085529.
  7. Soifer, V.A. Laser beam mode selection by computer-generated holograms / V.A. Soifer, M.A. Golub. – Boca Raton: CRC Press, 1994. – 215 p. – ISBN: 978-0-8493-2476-5.
  8. Abramochkin, Е. Beam transformations and non-trans­formed beams / Е. Abramochkin, V. Volostnikov // Optics Communications. – 1991. – Vol. 83, Issue 1-2. – P. 123-135. – DOI: 10.1016/0030-4018(91)90534-K.
  9. Абрамочкин, Е.Г. Спиральные пучки света / Е.Г. Абрамочкин, В.Г. Волостников // Успехи физических наук. – 2004. – Т. 174, № 12. – С. 1273-1300. – DOI: 10.3367/UFNr.0174.200412a.1273.
  10. Khonina, S.N. Generation and selection of laser beams represented by a superposition of two angular harmonics / S.N. Khonina, V.V. Kotlyar, V.A. Soifer, K. Jefimovs, J. Turunen // Journal of Modern Optics. – 2004. – Vol. 51, Issue 5. – P. 761-773. – DOI: 10.1080/09500340408235551.
  11. Khonina, S.N. Optical vortices in a fiber: mode division multiplexing and multimode selfimaging / S.N. Khonina, N.L. Kazanskiy, V.A. Soifer. – In: Recent progress in optical fiber research / ed. by M. Yasin, S.W. Harun, H. Arof. – Chap. 15. – Rijeka, Croatia: InTech Open, 2012. – DOI: 10.5772/28067.
  12. Khonina, S.N. Measuring the light field orbital angular momentum using DOE / S.N. Khonina, V.V. Kotlyar, V.A. Soifer, P. Paakkonen, J. Turunen // Optical Memory and Neural Networks (Information Optics). – 2001. – Vol. 10, Issue 4. – P. 241-255.
  13. Kirilenko, M.S. Information transmission using optical vortices / M.S. Kirilenko, S.N. Khonina // Optical Memory and Neural Networks (Information Optics). – 2013. – Vol. 22, Issue 2. – P. 81-89. – DOI: 10.3103/S1060992X13020069.
  14. Berry, M. Optical vortices evolving from helicoidal integer and fractional phase steps / M. Berry // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. – 2004. – Vol. 6, Issue 2. – P. 259-269. – DOI: 10.1088/1464-4258/6/2/018.
  15. Martinez-Castellanos, I. Vortex structure of elegant Laguerre–Gaussian beams of fractional order / I. Martinez-Castellanos, J.C. Gutiérrez-Vega // Journal of the Optical Society of America A. – 2013. – Vol. 30, Issue 3. – P. 2395-2300. – DOI: 10.1364/JOSAA.30.002395.
  16. McGloin, D. Bessel beams: Diffraction in a new light / D. McGloin, K. Dholakia // Contemporary Physics. – 2005. – Vol. 46, Issue 1. – P. 15-28. – DOI: 10.1080/0010751042000275259.
  17. Leach, J. Observation of the vortex structure of a non-integer vortex beam / J. Leach, E. Yao, M.J. Padgett // New Journal of Physics. – 2004. – Vol. 6. – 71. – DOI: 10.1088/1367-2630/6/1/071.
  18. Volyar, A.V. Super pulses of orbital angular momentum in fractional-order spiroid vortex beams / A.V. Volyar, Yu.A. Egorov // Optics Letters. – 2018. – Vol. 43, Issue 1. – P. 74-77. – DOI: 10.1364/OL.43.000074.
  19. Gutiérrez-Vega, J.C. Fractionalization of optical beams: II. Elegant Laguerre–Gaussian modes / J.C. Gutiérrez-Vega // Optics Express. – 2007. – Vol. 15, Issue 10. – 6300. – DOI: 10.1364/OE.15.006300.
  20. Gutiérrez-Vega, J.C. Nondiffracting vortex beams with continuous orbital angular momentum order dependence / J.C. Gutiérrez-Vega, C. López-Mariscal // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. – 2008. – Vol. 10, Issue 1. – 015009. – DOI: 10.1088/1464-4258/10/01/015009.
  21. Fadeyeva, T.A. Does the optical angular momentum change smoothly in fractional-charged vortex beams? / T.A. Fadeyeva, A.F. Rubass, R.V. Aleksandrov, A.V. Volyar // Journal of the Optical Society of America B. – 2014. – Vol. 31, Issue 4. – P. 798-805. – DOI: 10.1364/JOSAB.31.000798.
  22. Alexeyev, C.N. Mutual transformations of fractional-order and integer-order optical vortices / C.N. Alexeyev, Yu.A. Egorov, A.V. Volyar // Physical Review A. – 2017. – Vol. 96. – 063807. – DOI: 10.1103/PhysRevA.96.063807.
  23. Berry, M.V. Paraxial beams of spinning light / M.V. Berry // Proceedings of SPIE. – 1998. – Vol. 3487. – P. 6-11. – DOI: 10.1117/12.317704.
  24. Götte, J. Light beams with fractional orbital angular momentum and their vortex structure / J. Götte, K. O’Holleran, D. Preece, F. Flossmann, S. Franke-Arnold, S.M. Barnett, M.J. Padgett // Optics Express. – 2008. – Vol. 16, Issue 2. – P. 993-1006. – DOI: 10.1364/OE.16.000993.
  25. Watson, G.N. A treatise on the theory of Bessel functions / G.N. Watson. – 2nd ed. – Cambridge, UK: Cambridge University Press, 1995. – 804 p. – ISBN: 978-0-521-48391-9.
  26. Alperin, S.N. Quantitative measurement of the orbital angular momentum of light with a single, stationary lens / S.N. Alperin, R.D. Niederiter, J.T. Gopinath, K.E. Siements // Optics Letters. – 2016. – Vol. 41, Issue 21. – P. 5019-5022. – DOI: 10.1364/OL.41.005019.
  27. Stoyanov, L. Far field diffraction of an optical vortex beam by a fork-shaped grating / L. Stoyanov, S. Topuzoski, I. Stefanov, L. Janicijevic, A. Dreischuh // Optics Communications. – 2013. – Vol. 350. – P. 301-308. – DOI: 10.1016/j.optcom.2015.04.020.
  28. Воляр, А.В. По ту сторону интенсивности или моменты интенсивности и измерение спектра оптических вихрей сложных пучков / А.В. Воляр, М.В. Брецько, Я.Е. Акимова, Ю.А. Егоров // Компьютерная оптика. – 2018. – Т. 42, № 5. – С. 736-743. – DOI: 10.18287/2412-6179-2017-42-5-736-743.

© 2009, IPSI RAS
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: ko@smr.ru ; тел: +7 (846) 242-41-24 (ответственный секретарь), +7 (846) 332-56-22 (технический редактор), факс: +7 (846) 332-56-20