Том 36, номер 08, статья № 2

Аннотация:

Представлены результаты экспериментов по распространению вихревых оптических пучков в искусственной конвективной турбулентной среде вдоль трассы протяженностью 12 м. Искусственная турбулентная среда создается на лабораторном стенде, где реализована возможность генерации лазерных пучков с различным значением орбитального углового момента вихревого оптического поля. Характеристики трассы и параметры распространяющегося излучения в эксперименте соответствуют условиям распространения, которые можно описать в терминах геометрической оптики. Установлено, что при распространении оптического пучка в ближней зоне дифракции по мере усиления оптической турбулентности мгновенные распределения интенсивности вихревых пучков становятся спеклованными, искажается и исчезает исходная кольцевая структура пучка. В усредненных распределениях интенсивности кольцевая структура постепенно замывается и становится близкой к гауссовой с максимумом интенсивности в центре пучка. Проведено сравнение случайных блужданий вихревых пучков, начальные поперечные размеры которых увеличиваются с ростом топологического заряда, и пучков с начальными поперечными размерами, не меняющимися при изменении топологического заряда. Показано, что амплитуда случайных отклонений направления распространения вихревого пучка от заданного не зависит от топологического заряда.

Ключевые слова:

вихревой пучок, турбулентность, блуждание пучка, конвекция, лабораторный эксперимент, цифровая голография

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Yao A., Padgett M. Orbital angular momentum: Origins, behavior, and applications // Adv. Opt. Photon. 2011. V. 3. P. 161–204. DOI: 10.1364/OL.26.000405.
2. Padgett M. Orbital angular momentum 25 years on [Invited] // Opt. Express. 2017. V. 25. P. 11265–11274. DOI: 10.1364/OE.25.011265.
3. 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. N 8. P. 90. DOI: 10.1038/s41377-019-0194-2.
4. Wang J., Yang J., Fazal I.M., Ahmed N., Yan Y., Huang H., Ren Y., Yue Y., Dolinar S., Tur M., Willner A.E. Terabit free-space data transmission employing orbital angular momentum multiplexing // Nature Photon. 2012. N 6. P. 488–496. DOI: 10.1038/nphoton.2012.138.
5. Lei T., Zhang M., Li Y., Jia P., Liu G.N., Xu X., Li Z., Min C., Lin J., Yu C., Niu H., Yuan X. Massive individual orbital angular momentum channels for multiplexing enabled by Dammann gratings // Light Sci Appl. 2015. V. 4. P. e257. DOI: 10.1038/lsa.2015.30.
6. Xie G., Li L., Ren Y., Huang H., Yan Y., Ahmed N., Zhao Z., Lavery M.P., Ashrafi N., Ashrafi S., Bock R., Tur M., Molisch A.F., Willner A.E. Performance metrics and design considerations for a free-space optical orbital-angular-momentum – multiplexed communication link // Optica. 2015. V. 2, N 4. P. 357–365.
7. Ren Y.X., et al. Atmospheric turbulence effects on the performance of a free space optical link employing orbital angular momentum multiplexing // Opt. Lett. 2013. V. 38, N 20. P. 4062–4065.
8. Chen C., Yang H. Characterizing the statistical distribution for transmission coefficient of turbulence optical orbital-angular-momentum channels // Opt. Express. 2019. V. 27, N 20. P. 28968–28982.
9. Ndagano B., Mphuthi N., Milione G., Forbes A. Comparing mode-crosstalk and mode-dependent loss of laterally displaced orbital angular momentum and Hermite–Gaussian modes for free-space optical communication // Opt. Lett. 2017. V. 42, N 20. P. 4175–4178.
10. Ren Y., Wang Z., Liao P., Li L., Xie G., Huang H., Zhao Z., Yan Y., Ahmed N., Willner A., Lavery M.P.J., Ashrafi N., Ashrafi S., Bock R., Tur M., Djordjevic I.B., Neifeld M.A., Willner A.E. Experimental characterization of a 400 Gbit/s orbital angular momentum multiplexed free-space optical link over 120-meters // Opt. Lett. 2016. V. 41, N 3. P. 622–625.
11. Ren Y., Xie G., Huang H., Bao C., Yan Y., Ahmed N., Lavery M., Erkmen B., Dolinar S., Tur M., Neifeld M., Padgett M., Boyd R., Shapiro J., Willner A. Adaptive optics compensation of multiple orbital angular momentum beams propagating through emulated atmospheric turbulence // Opt. Lett. 2014. V. 39, N 10. P. 2845–2848.
12. Аксенов В.П., Погуца Ч.Е. Влияние оптического вихря на случайные смещения лагерр-гауссова пучка, распространяющегося в турбулентной среде // Оптика атмосф. и океана. 2012. Т. 25, № 7. С. 561–565; Aksenov V.P., Pogutsa Ch.E. The effect of optical vortex on random Laguerre–Gauss shifts of a laser beam propagating in a turbulent atmosphere // Atmos. Ocean. Opt. 2013. V. 26, N 1. P. 13–17.
13. Aksenov V.P., Kolosov V.V., Pogutsa Ch.E. The influence of the vortex phase on the random wandering of a Laguerre–Gaussian beam propagating in a turbulent atmosphere: A numerical experiment // IOP Publish. Ltd. J. Opt. 2013. V. 15, N 4. P. 044007. DOI: 10.1088/2040-8978/15/4/044007.
14. Aksenov V.P., Kolosov V.V. Pogutsa Ch.E. Random wandering of laser beams with orbital angular momentum during propagation through atmospheric turbulence // Appl. Opt. 2014. V. 53. P. 3607–3614.
15. Лукин И.П. Устойчивость когерентных вихревых бесселевых пучков при распространении в турбулентной атмосфере // Оптика атмосф. и океана. 2014. Т. 27, № 5. С. 367–374.
16. Yuan Y, Lei T., Li Z., Li Y., Gao S., Xie Z., Yuan X. Beam wander relieved orbital angular momentum communication in turbulent atmosphere using Bessel beams // Sci. Rep. 2017. V. 7, N 1. P. 42276.
17. Cheng M., Guo L., Li J., Yan X., Sun R., You Y. Effects of asymmetry atmospheric eddies on spreading and wander of Bessel–Gaussian beams in anisotropic turbulence // IEEE Photon. 2018. V. 10, N 4. Р. 6100510.
18. Fu S., Gao C. Influences of atmospheric turbulence effects on the orbital angular momentum spectra of vortex beams // Photon. Res. 2016. V. 4, N 5. P. B1–B4.
19. Wang F., Cai Y., Eyyuboğlu H.T., Baykal Y. Twist phase-induced reduction in scintillation of a partially coherent beam in turbulent atmosphere // Opt. Lett. 2012. V. 37, N 2. P. 184–186.
20. Saito A., Tanabe A., Kurihara M., Hashimoto N., Oga­wa K. Propagation properties of quantized Laguerre–Gaussian beams in atmospheric turbulence // Free-Space Laser Communication and Atmospheric Propagation XXVIII. 2016. V. 9739. P. 973914.
21. Yang Q., Wang T., Chen J., Yao H., Jiang Z., Sun Z., Yu C., Lin P., Sun H., Zhang F., Jiang H. Transmission characters of wide-spectrum OAM beam in tunable atmospheric turbulence // Opt. Commun. 2021. V. 496. Р. 127078.
22. Panchal P., Naik D.N., Narayanamurthy C.S. Insensitivity of higher order topologically charged Laguerre–Gaussian beamsto dynamic turbulence impact // Opt. Commun. 2021. V. 495. P. 127023.
23. Банах В.А., Фалиц А.В. Уширение лагеррова пучка в турбулентной атмосфере // Опт. и спектроскоп. 2014. Т. 117, № 6. С. 969–975. DOI: 10.7868/S0030403414120022.
24. Фалиц А.В. Блуждание и флуктуации интенсивности фокусированного Лагерра–Гауссова пучка в турбулентной атмосфере // Оптика атмосф. и океана. 2015. Т. 28, № 9. С. 763–771.
25. Banakh V.A., Gerasimova L.O. Strong scintillations of pulsed Laguerrian beams in a turbulent atmosphere // Opt. Express. 2016. V. 24, N 17. P. 19264–19277.
26. Brown B., Lohmann A. Computer-generated binary holograms // IBM J. Res. Dev. 1969. V. 13. P. 160–168.
27. Lee W.-H. Binary synthetic holograms // Appl. Opt. 1974. V. 13. P. 1677–1682.
28. Lee W.-H. Binary computer-generated holograms // Appl. Opt. 1979. V. 18, N 21. P. 3661–3669.
29. Arlt J., Dholakia K., Allen L., Padgett M.J. The production of multiringed Laguerre–Gaussian modes by computer-generated holograms // J. Modern Opt. V. 45, N 6. P. 1231–1237. DOI: 10.1080/09500349808230913.
30. Методы компьютерной оптики / под ред. В.А. Сойфера. М.: Физмалит, 2003. 688 с.
31. Anzuola E., Belmonte A. Generation of atmospheric wavefronts using binary micromirror arrays // Appl. Opt. 2016. V. 55, N 11. P. 3039–3044.
32. Bekshaev A.Y., Karamoch A.I. Spatial characteristics of vortex light beams produced by diffraction gratings with embedded phase singularity // Opt. Commun. 2008. V. 281, N 6. P. 1366–1374.
33. Bekshaev A., Mikhaylovskaya L., Patil S., Kumar V., Singh R.P. Optical-vortex diagnostics via Fraunhofer slit diffraction with controllable wavefront curvature // J. Opt. Soc. Am. A. 2020. V. 37, N 5. P. 780.
34. Миронов В.Л. Распространение лазерного пучка в турбулентной атмосфере. Новосибирск: Наука, 1981. 248 с.
35. Зуев В.Е., Банах В.А., Покасов В.В. Оптика турбулентной атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 270 с.
36. Кляцкин В.И., Кон А.И. О смещениях пространственно-ограниченных световых пучков в турбулентной среде в приближении марковского случайного процесса // Изв. вузов. Радиофизика. 1972. Т. 15, № 9. С. 1381–1388.