Optical properties of multiplex vortex structures
- Authors: Zotov A.M.1, Korolenko P.V.1, Pavlov N.N.1
-
Affiliations:
- Lomonosov Moscow State University
- Issue: Vol 88, No 1 (2024)
- Pages: 24-28
- Section: Wave Phenomena: Physics and Applications
- URL: https://ogarev-online.ru/0367-6765/article/view/264539
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0367676524010048
- EDN: https://elibrary.ru/SBDXHB
- ID: 264539
Cite item
Full Text
Abstract
As applied to various applied problems, a group of questions on optimizing the characteristics of vortex light beams used in multiplex optical systems is considered. A new method is proposed for the formation of systems of singular beams with small-scale dislocations, which provide a high degree of stability of their structure to the influence of diffraction effects.
Full Text
ВВЕДЕНИЕ
Очень часто при проведении экспериментов и разработке оптических устройств востребованными являются световые пучки с дислокационной структурой волнового фронта [1, 2]. Даже обычные спекловые поля, образующиеся при прохождении света через случайно неоднородные пластины или среды, обладают системой фазовых сингулярностей в виде винтовых дислокаций [3]. По их количеству можно судить о величине присутствующих в оптическом тракте неоднородностей. Лазерные пучки с регулярной системой дислокаций благодаря своим свойствам могут с высокой степенью эффективности использоваться в оптических системах связи [4]. При анализе фазовых изображений наличие в них фазовых сингулярностей позволяет преодолеть дифракционные ограничения по разрешению [5]. Мультиплексные системы, включающие набор волновых пучков с единичными дислокациями на волновом фронте, нашли применение в оптических пинцетах, позволяющих захватывать и перемещать малые частицы [6, 7]. При оптимизации работы указанных систем и устройств часто необходимым является требование, чтобы при дифракционном распространении излучения в их оптических каналах общий вид распределения амплитуды и фазы в поперечном сечении не претерпевал существенных изменений. Цель данной работы состоит в решении этой задачи на основе нового подхода к созданию мультиплексной оптической системы с предельно малыми дислокационными образованиями и высокой структурной устойчивостью.
РЕГУЛЯРНАЯ МУЛЬТИПЛЕКСНАЯ СИСТЕМА С МЕЛКОМАСШТАБНЫМИ ДИСЛОКАЦИЯМИ
Мультиплексная система строилась из набора ячеек, в центре которых располагался парциальный пучок с винтовой дислокацией волнового фронта. На рис. 1 приведен фрагмент из четырех соседних ячеек. Для того чтобы на границах ячеек приравнять значения фазы пучков, направление поперечных координат x, y в соседних ячейках изменялось (см. рис. 1).
Рис. 1. Фрагмент мультиплексной системы.
Предельно малая по ширине винтовая дислокация моделировалась путем азимутального вращения линейной дислокации, обладающей одной сингулярной линией. Амплитуду поля в области линейной дислокации с максимально возможным градиентом фазы можно представить в виде выражения:
(1)
где P — число синусоидальных гармоник. Считалось, что координатная ось x перпендикулярна сингулярной линии и содержит N значащих точек; d =N/2.
Процедура вращения обеспечивала примерно постоянный уровень интенсивности в окрестности сингулярной точки. Ширина w дислокационного образования определялась как ширина распределения интенсивности на полувысоте от точки сингулярности. Используемый для построения винтовой дислокации алгоритм [6] позволял выразить w посредством формулы:
(2)
СРАВНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МУЛЬТИПЛЕКСНЫХ СИСТЕМ С РАЗЛИЧНЫМИ ОБРАЗУЮЩИМИ ПУЧКАМИ
Изображение парциального пучка мультиплексной системы, полученного путем вращения линейной дислокации (мультиплекс I), показано на рис. 2а. Характеристики мультиплекса I были сопоставлены с характеристиками мультиплексов, построенных с применением пучков с иной дислокационной структурой. С этой целью для мультиплекса II были использованы цилиндрические моды Лагерра-Гаусса ТЕМ01 (рис. 2б), а для мультиплекса III — спеклоподобные пучки с системой винтовых дислокаций (рис. 2в).
Рис. 2. Образующие пучки мультиплексных систем: пучок на основе краевой дислокации (а), цилиндрическая мода TEM01 (б), случайно расположенные дислокации (в).
Для уменьшения эффективной площади дислокаций спеклоподобная структура предварительно подвергалась процедуре сжатия. Сжатие осуществлялось путем применения итерационного алгоритма Герцберга-Секстона, применяющегося при решении фазовой проблемы в оптике [8]. Он позволял в 4–5 раз уменьшить размеры дислокаций. Структуры, предназначенные для сравнения, строились таким образом, чтобы изначальные эффективные размеры дислокаций были такими же, как и у претерпевшей вращение краевой дислокации.
Был подробно изучен процесс распространения в свободном пространстве световых структур, соответствующих мультиплексам I–III. Для определения изменений в их амплитудно-фазовом распределении использовался метод разложения начального поля по плоским волнам. Амплитуды плоских волн определялись с помощью двумерного быстрого преобразования Фурье. В ходе сравнения динамических характеристик различных мультиплексов особое внимание уделялось неизменности положения центров дислокационных образований и сохранению формы амплитудно-фазового распределения. Расчеты показали, что наибольшей структурной устойчивостью к влиянию дифракции в процессе распространения обладает мультиплекс I. До расстояния от начальной плоскости z = 0.015 T (Т – длина самовоспроизведения начальной периодической структуры) он сохранял общую форму амплитудно-фазового распределения при неизменном положении центров дислокационных образований. Мультиплексы с другими типами дислокаций на таком же удалении от начальной плоскости кардинальным образом меняли свою форму. Это происходило вследствие перекрытия и последующей интерференции парциальных пучков, происходящих на более близких расстояниях от начальной плоскости. Эти эффекты вызывали значительные искажения светового поля. Наиболее сильно искажалось поле мультиплекса III. Уже начиная с расстояния z = 0.002 T присущие ему случайно расположенные дислокации начинали хаотически смещаться, исчезая на отдельных участках и возникая вновь.
Рис. 3 дает более наглядное представление об особенностях распространения рассматриваемых мультиплексов. На представленных рисунках значащая точка по горизонтальной оси z, равная z = 400, соответствует величине z = 0.015 T. Величины по вертикальной оси отложены в условных единицах. На рис. 3а – 3б показано, как вдоль продольной координаты z меняется распределение интенсивности в окрестности соответствующих дислокаций. Видно, что мультиплекс I на начальном этапе распространения характеризуется более умеренными выбросами интенсивности по сравнению с мультиплексом II. Распределение интенсивности на рис. 3в обладает общими слабыми изменениями интенсивности вследствие случайных смещений многочисленных дислокаций. На рис. 3г – 3д показано изменение размеров дислокационных образований в мультиплексах I и II по мере их распространения в пространстве. Видно, что у мультиплекса I приращение размеров происходит более плавно, в то время как у мультиплекса II вблизи критического расстояния z = 0.015 T средний размер дислокаций резко увеличивается. Корректно проследить, как меняются эффективные размеры дислокаций у мультиплекса III, можно лишь в непосредственной близости от начальной плоскости, при удалении от нее оценить изменение размеров не представляется возможным из-за малой “длины пробега” дислокаций в спеклоподобных структурах. Участки графиков, помеченные пунктиром, соответствуют распаду дислокаций. Рис. 3ж – 3и иллюстрируют геометрию траекторий дислокаций в процессе их распространения. Темные и светлые линии траекторий относятся к дислокациям с противоположным по знаку топологическим зарядом. Если судить по длине прямых отрезков траекторий, то наибольшей устойчивостью обладает форма траекторий мультиплекса I. Несколько хуже обстоит дело с устойчивостью дислокаций мультиплекса II. Их траектории начинают заметно усложняться на расстояниях, на которых дислокационная структура мультиплекса I не претерпевает еще заметных возмущений. Траектории изначально случайно расположенных дислокаций мультиплекса III сохраняют свою направленность лишь вблизи начальной плоскости. Дальнейшее кардинальное усложнение траекторий объясняется тем, что в процессе распространения мультиплекса винтовые дислокации могут исчезать и появляться вновь. При этом длина траекторий без существенных смещений дислокаций крайне незначительна. Для удобства сравнения структурных изменений в мультиплексах разных типов внизу соответствующих рисунков в направлении оси z проведена черная линия, длина которой определяет область устойчивости характеристик мультиплекса.
Рис. 3. Характеристики мультиплексов I–III: характеристики мультиплекса I (а, г, ж); характеристики мультиплекса II (б, д, з); характеристики мультиплекса III (в, е, и); продольные распределения интенсивности в градациях серого (а, б, в); изменения размеров дислокаций w (г, д, е); траектории перемещения дислокационных образований (ж, з, и); y, z — поперечная и продольная координаты.
С целью получения дополнительной информации об особенностях распространения мультиплексов была проведена для каждого из них оценка изменения ширины гистограммы распределения интенсивности. Она показала, что гистограммы мультиплексов I и II в процессе их распространения в области устойчивости уширялись более чем на порядок. Иной характер носила трансформация гистограммы у мультиплекса III. Ее ширина резко возрастала (в три раза) на небольших расстояниях от начальной плоскости, а затем оказывалась практически неизменной.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ И ВЫВОДЫ
Выполненный анализ свойств мелкомасштабной мультиплексной системы с винтовыми дислокациями, построенными путем вращения дислокаций линейного типа, показал высокую степень ее устойчивости к влиянию дифракционных эффектов. Эту устойчивость следует объяснить близким к постоянному уровню значением интенсивности в окрестности малоразмерных дислокационных образований. Это доказывает меньшая по длине зона устойчивости мультиплекса II с модами TEM01, у которых в окрестности точки сингулярности существует кольцевая зона с повышенным значением интенсивности. В силу этого образующие пучки данного мультиплекса имеют большую угловую расходимость, обусловливающую уширение дислокаций при больших расстояниях от начальной плоскости. В то же время следует заметить, что на малых расстояниях от нее (z < 420) размеры дислокаций увеличиваются гораздо медленнее. В некоторых случаях, когда нет необходимости передавать излучение на большие расстояния, более предпочтительно использование мультиплекса второго типа.
Система со спеклоподобными образующими пучками допускает определенную модернизацию с точки зрения уменьшения размеров дислокаций путем использования процедуры Герцберга-Секстона. Однако она имеет крайне низкую структурную устойчивость из-за малого свободного пробега дислокаций и их неупорядоченного смещения.
На заключительном этапе выполнения работы был более подробно рассмотрен вопрос о том, как на полученные результаты будет влиять изменение соотношения между размером дислокации w и размером отдельной ячейки мультиплекса a. Было установлено, что при изменении этого соотношения более чем в два раза в ту или иную сторону по отношению к ранее задаваемому по-прежнему наиболее устойчивым мультиплексом будет мультиплекс первого типа.
Рассмотренные световые структуры могут быть реализованы на практике путем использования пространственных модуляторов света [9], часто применяющихся в оптическом эксперименте. Разработанные в данной статье вычислительные алгоритмы могут стать основой для их программного обеспечения.
About the authors
A. M. Zotov
Lomonosov Moscow State University
Email: pvkorolenko@rambler.ru
Russian Federation, Moscow
P. V. Korolenko
Lomonosov Moscow State University
Author for correspondence.
Email: pvkorolenko@rambler.ru
Russian Federation, Moscow
N. N. Pavlov
Lomonosov Moscow State University
Email: pvkorolenko@rambler.ru
Russian Federation, Moscow
References
- Брянцев Б.С., Калинович А.А., Захарова И.Г. // Изв. РАН. Сер. физ. 2023. Т. 87. № 1. С. 6; Bryantsev B.S., Kalinovich A.A., Zakharova I.G. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2023. V. 87. No. 1. P. 1.
- Вохник О.М., Короленко П.В., Кубанов Р.Т. // Изв. РАН. Сер. физ. 2022. Т. 86. № 11. С. 1602; Vokhnik O.M., Korolenko P.V., Kubanov R.T. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2022. V. 86. No. 11. P. 1327.
- Зельдович Б.Я., Пилипецкий Н.Ф., Шкунов В.В. Обращение волнового фронта. М.: Наука, 1985. 248 с.
- Зотов А.М., Короленко П.В., Павлов Н.Н. // Изв. РАН. Сер. физ. 2022. Т. 86. № 11. С. 1617; Zotov A.M., Korolenko P.V., Pavlov N.N. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2022. V. 86. No. 11. P. 1341.
- Тычинский В.П. // УФН. 2008. Т. 178. № 11. С. 1205; Tychinskii V.P. // Phys. Usp. 2008. V. 178. No. 11. P. 1161.
- Dufresne E.R., Grier D.G. // Rev. Sci. Instrum. 1998. V. 69. No. 5. P. 1974.
- Скиданов Р.В., Рыков М.А. // Комп. оптика. 2013. Т. 37. No. 4. С. 431.
- Короленко П.В. Когерентная оптика: учебное пособие для вузов. Юрайт, 2020. 184 с.
- Tsutomu Hara // Japan. J. Appl. Phys. 2022. V. 61. No. SK. Art. No. SK0802.
Supplementary files
