Том 32, номер 09, статья № 12

Аксенов В. П., Дудоров В. В., Колосов В. В. Атмосферная сингулярная оптика: от дислокаций волнового фронта до синтеза вихревых лазерных пучков. // Оптика атмосферы и океана. 2019. Т. 32. № 09. С. 792-798. DOI: 10.15372/AOO20190912.
Скопировать ссылку в буфер обмена
Аннотация:

Выполнен обзор исследований по сингулярной оптике скалярных волновых полей, проводимых в мире и ИОА СО РАН. Обобщены результаты изучения процессов рождения и аннигиляции фазовых сингулярностей. Проанализированы методы реконструкции сингулярной фазы и их применимость к задачам адаптивной фокусировки излучения в случайно-неоднородных средах. Приведены результаты анализа энергетических, статистических и топологических свойств вихревых оптических пучков, распространяющихся в турбулентной атмосфере. Продемонстрированы результаты синтеза вихревых пучков с оперативным управлением орбитальным угловым моментом на основе разрабатываемого в ИОА СО РАН матричного подхода.

Ключевые слова:

вихревой пучок, турбулентная атмосфера, флуктуации интенсивности, функция распределения вероятностей

Список литературы:

1. Berry M.V. Making waves in physics. Three wave singularities from the miraculous 1830s. // Nature. 2000. V. 403. P. 21.
2. Nye J.F., Berry M.V. Dislocations in Wave Trains // Proc. Roy. Soc. Lond. A. 1974. V. 336, N 5. P. 165–190.
3. Coullet P., Gil L., Rocca F. Optical vortices // Opt. Commun. 1989. V. 73. N 5. P. 403–408.
4. Розанов Н.Н. О формировании излучения с дислокациями волнового фронта // Оптика и спектроскопия. 1993. Т. 75, № 4. С. 861–867.
5. Короленко П.В., Тихомиров В.Н. О структуре волнового фронта связанных модовых систем // Квант. электрон. 1991. Т. 18, № 9. С. 1139–1141.
6. Soskin M.S., Vasnetsov M.V. Singular optics // Prog. Opt. 2001. V. 42. P. 219–276.
7. Optical Vortices. V. 228. Horizons in World Physics / M. Vasnetsov, K. Staliunas (eds.). Huntington, New York: Nova Science, 1999. 218 p.
8. Angelsky O.V., Mokhun I.I., Mokhun A.I., Soskin M.S. Interferometric methods in diagnostics of polarization singularities // Phys. Rev. E. 2002. V. 65. P. 036602.
9. Alexeyev C.N., Volyar A.V., Yavorsky M.A. Vortex-preserving weakly guiding anisotropic twisted fibres // J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 2004. V. 46. P. S162–S165.
10. Abramochkin E.G., Volostnikov V.G. Relationship between two-dimensional intensity and phase in Fresnel diffraction zone // Opt. Commun. 1989. V. 74, N 3–4. P. 144–148.
11. Bekshaev A.Ya., Karamoch A.I. Astigmatic telescopic transformation of a high-order optical vortex // Opt. Commun. 2008. V. 281. N 23. P. 5687–5696.
12. Padgett M.J., Allen L. The Poynting vector in Laguerre–Gaussian laser modes // Opt. Commun. 1995. V. 121, N 1–3. P. 36–40.
13. Heckenberg N.R., McDuff R., Smith C.P., Rubinsztein-Dunlop H., Wegener M.J. Laser beams with phase singularities // Opt. Quant. Electron. 1992. V. 24, N 9. P. S951–S962.
14. Torner L., Torres J.P., Carrasco S. Digital spiral imaging // Opt. Express. 2005. V. 13. P. 873–881.
15. Desyatnikov A.S., Sukhorukov A.A., Kivshar Yu.S. Azimuthons: Spatially modulated vortex solitons // Phys. Rev. Lett. 2005. V. 95. P. 203904.
16. Лукин В.П., Фортес Б.В. О влиянии дислокаций волнового фронта на нестабильность фазового сопряжения при компенсации теплового самовоздействия // Оптика атмосф. и океана. 1995. Т. 8, № 3. С. 435–447.
17. Тартаковский В.А., Майер Н.Н. Дислокации фазы и фокальные пятна // Оптика атмосф. и океана. 1996. Т. 9, № 11. С. 1457–1461.
18. Арсеньян Т.И., Кауль С.И., Короленко П.В., Убогов С.А., Федотов Н.Н. Дислокации волнового фронта в турбулентной среде // Радиотехника и электроника. 1992. Т. 37, № 10. С. 1773–1777.
19. Freund I., Svartsman N., Freilikher V. Optical dislocation networks in highly random media // Opt. Commun. 1993. V. 101, N 3–4. P. 247–264.
20. Maleev I.D., Palacios D.M., Marathay A.S., Swartzlander G.A., Jr. Spatial correlation vortices in partially coherent light: Theory // J. Opt. Soc. Am. B. 2004. V. 21. P. 1895–1900.
21. Баранова Н.Б., Зельдович Б.Я. Дислокации волнового фронта и нули амплитуды // ЖЭТФ. 1981. Т. 80, № 5. С. 1789–1797.
22. Журавлев В.А., Кобозев И.К., Кравцов Ю.А. Потоки энергии в окрестности дислокаций фазового поля волнового фронта // ЖЭТФ. 1993. Т. 104, вып. 5. С. 3769–3783.
23. Allen L., Beijersbergen M.W., Spreeuw R., J.C., Woerdman J.P. Orbital angular momentum of light and the transformation of Laguerre–Gaussian laser modes // Phys. Rev. A. 1992. V. 45. P. 8185–8189.
24. Gibson G., Courtial J., Padgett M. Vasnetsov M., Pas’ko V., Barnett Stephen M., Franke-Arnold S. Free-space information transfer using light beams carrying orbital angular momentum // Opt. Express. 2004. V. 12. P. 5448–5456.
25. Yao A.M., Padgett M.J. Orbital angular momentum: Origins, behavior and applications // Adv. Opt. Photon. 2011. V. 3. P. 161–204.
26. Twisted photons: Applications of Light with Orbital Angular Momentum / J.P. Torres, L. Torner (eds.). Weinheim: Wiley-VCH, 2011. 288 p.
27. Bekshaev A., Soskin M., Vasnetsov M. Paraxial Light Beams with Angular Momentum // Nova Science. 2008.
28. Willner A.E., Huang H., Yan Y., Ren Y., Ahmed N., Xie G., Bao C., Li L., Cao Y., Zhao Z., Wang J., Lavery M.P.J., Tur M., Ramachandran S., Molisch A.F., Ashrafi N., Ashrafi S. Optical communications using orbital angular momentum beams Advances // Opt. Photon. 2015. V. 7. P. 66–106.
29. Аксенов В.П., Колосов В.В., Тартаковский В.А., Фортес Б.В. Оптические вихри в неоднородных средах // Оптика атмосф. и океана. 1999. Т. 12, № 10. С. 952–958.
30. Аксенов В.П., Измайлов И.В., Пойзнер Б.Н., Тихомирова О.В. Волновая и лучевая пространственная динамика светового поля при рождении, эволюции и аннигиляции фазовых дислокаций // Оптика и спектроскопия. 2002. Т. 92, № 3. С. 465–474.
31. Аксенов В.П., Устинов А.В. Последействие оптических вихрей в процессе пространственной эволюции «вихревых» лазерных пучков // Оптика атмосф. и океана. 2003. Т. 16, № 8. С. 680–687.
32. Колосов В.В. Линии тока энергии в окрестности дислокаций трехмерного волнового поля // Оптика атмосф. и океана. 1996. Т. 9, № 2. С. 1631–1638.
33. Аксенов В.П., Банах В.А., Тихомирова О.В. Визуализация дислокаций волнового фронта оптических спекл-полей // Оптика атмосф. и океана. 1997. Т. 10, № 12. C. 1588–1592.
34. Aksenov V.P., Banakh V.A., Tikhomirova O.V. Visualization of the phase singularities in wave-front sensors // Proc. SPIE. 1997. V. 3487. P. 117–122.
35. Aksenov V.P., Banakh V.A., Tikhomirova O.V. Potential and vortex features of optical speckle field and visualization of wave-front singularities // Appl. Opt. 1998. V. 37, N 21. P. 4536–4540.
36. Аксенов В.П., Канев Ф.Ю., Погуца Ч.Е. Пространственная когерентность, средний наклон волнового фронта и средний локальный волновой вектор лазерного пучка Лагерра–Гаусса за случайным фазовым экраном // Оптика атмосф. и океана. 2010. Т. 23, № 5. С. 383–391.
37. Aksenov V.P., Pogutsa Ch.E. Optical Scully vortex and its spatial evolution // Appl. Opt. 2012. V. 51, N 10. P. C140–C143.
38. Fried D.L., Vaughn J.L. Branch cuts in the phase function // Appl. Opt. 1992. V. 31, N 15. P. 2865–2882.
39. Takajo H., Takahashi T. Least-squares phase estimation from the phase difference // J. Opt. Soc. Am. A. 1988. V. 5, N 3. P. 416–425.
40. Takajo H., Takahashi T. Noniterative method for obtainning the exact solution for the normal equation in least-square phase estimation from the phase difference // J. Opt. Soc. Am. A. 1988. V. 5, N 11. P. 1818–1827.
41. Aksenov V.P., Tikhomirova O.V. Theory of singular-phase reconstruction for optical speckle field in the turbulent atmosphere // J. Opt. Soc. Am. A. 2002. V. 19, N 2. P. 345–355.
42. Starikov F.A., Aksenov V.P., Kanev F.Yu., Izmailov I.V., Kochemasov G.G., Kulikov S.M., Manachinsky A.N., Maslov N.V., Ogorodnikov A.V., Sukharev S.A. Wavefront reconstruction of an optical vortex by a Hartmann–Shack sensor // Opt. Lett. 2007. V. 32, N 16. P. 2291–2294.
43. Starikov F.A., Kochemasov G.G., Koltygin M.O., Kulikov S.M., Manachinsky A.N., Maslov N.V., Sukharev S.A., Aksenov V.P., Izmailov I.V., Kanev F.Yu., Atuchin V.V., Soldatenkov I.S. Correction of vortex laser beam in a closed-loop adaptive system with bimorph mirror // Opt. Lett. 2009. V. 34, N 15. P. 2264–2267.
44. Aksenov V.P., Izmailov I.V., Kanev F.Yu., Starikov F.A. Algorithms for the reconstruction of the singular wave front of laser radiation: Analysis and improvement of accuracy // Quant. Electron. 2008. V. 38, N 7. P. 673–677.
45. Aksenov V.P., Izmailov I.V., Kanev F.Yu., Kuksenok D.S. Registration of vortex beam parameters in a turbulent atmosphere // J. Opt. 2013. V. 15. P. 044008.
46. Аксенов В.П., Измайлов И.В., Канев Ф.Ю., Пойзнер Б.Н. Определение топологического заряда оптического вихря по измерениям интенсивности сигнала на выходе интерферометра: принципы и моделирование // Оптика атмосф. и океана. 2010. Т. 23, № 11. С. 1036–1041.
47. Aksenov V.P., Izmailov I.V., Kanev F.Yu., Poizner B.N. Optical vortex detector as a basis for a data transfer system: Operational principle, model, and simulation of the influence of Turbulence and Noise // Opt. Commun. 2012. V. 285, iss. 6. P. 905–928.
48. Aksenov V.P., Pogutsa Ch.E. Increase in laser beam resistance to random inhomogeneities of atmospheric permittivity with an optical vortex included in the beam structure // Appl. Opt. 2012. V. 51, N 30. P. 7262–7267.
49. Аксенов В.П., Погуца Ч.Е. Влияние оптического вихря на случайные смещения лагерр-гауссова лазерного пучка, распространяющегося в турбулентной атмосфере // Оптика атмосф. и океана. 2012. Т. 25, № 7. С. 561–565.
50. Aksenov V.P., Kolosov V.V., Pogutsa C.E. The influence of the vortex phase on the random wandering of a Laguerre–Gaussian beam propagating in a turbulent atmosphere: A numerical experiment // J. Opt. 2013. V. 15. P. 044007.
51. Aksenov V.P., Kolosov V.V., Pogutsa C.E. Random wandering of laser beams with orbital angular momentum during propagation through atmospheric turbulence // Appl. Opt. 2014. V. 53, N 17. P. 3607–3614.
52. Aksenov V.P., Kolosov V.V. Scintillations of optical vortex in randomly inhomogeneous medium // Photon. Res. 2015. V. 3, N 2. P. 44–47.
53. Аксенов В.П., Дудоров В.В., Колосов В.В. Распределение вероятностей сильных флуктуаций интенсивности вихревых лазерных пучков в турбулентной атмосфере // Оптика атмосф. и океана. 2018. Т. 31, № 5. С. 349–354.
54. Aksenov V.P., Kolosov V.V. Probability density of field and intensity fluctuations of structured light in a turbulent atmosphere // J. Opt. 2019. V. 21, N 3. P. 035605.
55. Аксенов В.П., Дудоров В.В., Колосов В.В. Особенности вихревых пучков, сформированных матрицей волоконных лазеров, и их распространение в турбулентной атмосфере // Квант. электрон. 2016. Т. 46, № 8. С. 726–732.
56. Aksenov V.P., Dudorov V.V., Kolosov V.V. Probability distribution of intensity fluctuations of vortex laser beams in the turbulent atmosphere. [Electronic resource] URL: http://arxiv.org/abs/1802.03172 (last access: 17.05.2019).
57. Aksenov V.P., Dudorov V.V., Kolosov V.V. Statistical characteristics of common and synthesized vortex beams in a turbulent atmosphere // Proc. SPIE. 2016. V. 10035.
58. Aksenov V. P., Dudorov V.V., Kolosov V. V., Venedictov V.Yu. Probability distribution of intensity fluctuations of arbitrary-type laser beams in the turbulent atmosphere// Optics Express. 2019.
59. Berry M. Paraxial beams of spinning light // International Conference on Singular Optics, Soskin M.S., ed., Proc. SPIE. 1998. 3487, P. 6–11.
60. Аксенов В.П., Погуца Ч.Е. Флуктуации орбитального углового момента лазерного пучка, несущего оптический вихрь, в турбулентной атмосфере // Квант. электрон. 2008. Т. 38, № 4. С. 343–348.
61. Аксенов В.П., Погуца Ч.Е. Статистические характеристики орбитального углового момента лазерного пучка в турбулентной атмосфере: два подхода к описанию // XVII Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы». Труды. Томск: ИАО СО РАН, 2011. С. B200–B202.
62. Aksenov V.P., Pogutsa Ch.E. Variance of weak fluctuations of orbital angular momentum of Gaussian laser beam induced by atmospheric turbulence // Imag. Syst. Appl., Paper# JTu4A.30. 2014.
63. Aksenov V.P., Kolosov V.V., Filimonov G.A., Pogutsa C.E. Orbital angular momentum of a laser beam in a turbulent medium: Preservation of the average value and variance of fluctuations // J. Opt. 2016. V. 18. P. 054013.
64. Charnotskii M. Transverse linear and orbital angular momenta of beam waves and propagation in random media // J. Opt. 2018. V. 20. P. 025602.
65. Aksenov V.P., Dudorov V.V., Filimonov G.A., Kolosov V.V., Venediktov V.Yu. Vortex beams with zero orbital angular momentum and non-zero topological charge // Opt. Laser Technol. 2018. V. 104. P. 159–163.