Том 38, номер 09, статья № 1

Аннотация:

Использование вихревого лазерного излучения может значительно увеличить информационную емкость каналов передачи данных в открытых системах оптической связи. Однако атмосферная турбулентность накладывает существенные ограничения на применение таких систем. В настоящей работе представлены результаты экспериментов по исследованию влияния различных условий атмосферной турбулентности на характеристики вихревого лазерного излучения. Вихревые поля формировались с помощью фазового модулятора света; начальные распределения интенсивности вихревых пучков представляли собой наборы концентрических колец. Увеличение топологического заряда приводило к увеличению числа таких колец и уменьшению их толщин. На атмосферной трассе длиной 500 м установлено, что, несмотря на одинаковые начальные размеры пучков, с ростом топологического заряда дифракционный размер пучка в конце трассы распространения возрастает, что, в свою очередь, приводит к снижению случайного блуждания энергетического центра тяжести пучка. По мере увеличения топологического заряда относительное турбулентное уширение также снижается, а уровень мерцаний увеличивается. Зависимости между топологическим зарядом пучка и радиусом пространственной корреляции турбулентных флуктуаций интенсивности обнаружено не было. Полученные экспериментальные результаты дополняют сведения об особенностях распространения вихревого лазерного излучения в турбулентной атмосфере и могут применяться при проектировании открытых систем оптической связи.

Ключевые слова:

турбулентность, вихревые пучки, распространение излучения, блуждание пучков, мерцание

Иллюстрации:

Список литературы:

1. 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. DOI: 10.1103/PhysRevA.45.8185.
2. Yao A.M., Padgett M.J. Orbital angular momentum: Origins, behavior and applications // Adv. Opt. Photon. 2011. V. 3, N 2. P. 161–204. DOI: 10.1364/AOP.3.000161.
3. Padgett M.J. Orbital angular momentum 25 years on [Invited] // Opt. Express. 2017. V. 25, N 10. P. 11265–11274. DOI: 10.1364/OE.25.011265.
4. Shen Y., Wang X., Xie Z., Min C.J., Fu X., Liu Q., Gong M., Yuan X.C. Optical vortices 30 years on: OAM manipulation from topological charge to multiple singularities // Light: Sci. Appl. 2019. V. 8, N 90. P. 29. DOI: 10.1038/s41377-019-0194-2.
5. Willner A.E., Liu C. Perspective on using multiple orbital-angular-momentum beams for enhanced capacity in free-space optical communication links // Nanophotonics. 2021. V. 10, N 1. P. 225–233. DOI: 10.1515/nanoph-2020-0435.
6. Willner A.E., Zhao Z., Liu C., Zhang R., Song H., Pang K., Manukyan K., Song H., Su X., Xie G., Ren Y., Yan Y., Tur M., Molisch A.F., Boyd R.W., Zhou H., Hu N., Minoofar A., Huang H. Perspectives on advances in high-capacity, free-space communications using multiplexing of orbital-angular-momentum beams // APL. Photonics. 2021. V. 6, N 3. 29 p. DOI: 10.1063/5.0031230.
7. Lei T., Zhang M., Li Y., Jia P., Liu G.N., Xu X., Li Z., Min C.J., Lin J., Yu C.Y., Niu H., Yuan X.C. 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.
8. Anguita J.A., Neifeld M.A., Vasic B.V. Turbulence-induced channel crosstalk in an orbital angular momentum-multiplexed free-space optical link // Appl. Opt. 2008. V. 47. P. 2414–2429. DOI: 10.1364/AO.47.002414.
9. Malik M., O'Sullivan M., Rodenburg B., Mirhosseini M., Leach J., Lavery M.P.J., Padgett M.J., Boyd R.W. Influence of atmospheric turbulence on optical communications using orbital angular momentum for encoding // Opt. Express. 2012. V. 20. P. 13195–13200. DOI: 10.1364/OE.20.013195.
10. 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.
11. 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. DOI: 10.15372/AOO20150901.
12. Aksenov V.P., Kolosov V.V. Scintillations of optical vortex in randomly inhomogeneous medium // Photon. Res. 2015. V. 3, N 2. P. 44–47. DOI: 10.1364/PRJ.3.000044.
13. Saito A., Tanabe A., Kurihara M., Hashimoto N., Ogawa K. Propagation properties of quantized Laguerre–Gaussian beams in atmospheric turbulence // Proc. SPIE. 2016. V. 9739, N 973914. DOI: 10.1117/12.221251.
14. Wang F., Cai Y., Eyyuboglu 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. DOI: 10.1364/OL.37.000184.
15. Лукин И.П. Кольцевая дислокация степени когерентности вихревого бесселева пучка в турбулентной атмосфере // Оптика атмосф. и океана. 2015. Т. 28, № 4. С. 298–308; Lukin I.P. Ring dislocation of the coherence degree of a vortex Bessel beam in a turbulent atmosphere // Atmos. Ocean. Opt. 2015. V. 28, N 5. P. 415–425.
16. 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. DOI: 10.1364/PRJ.4.0000B1.
17. Yue P., Hu J., Yi X., Xu D., Liu Y. Effect of Airy Gaussian vortex beam array on reducing intermode crosstalk induced by atmospheric turbulence // Opt. Express. 2019. V. 27, N 26. P. 37986–37998. DOI: 10.1364/OE.27.037986.
18. 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. DOI: 10.1364/OE.24.019264.
19. Zhu L., Wang A., Deng M., Lu B., Guo X. Free-space optical communication with quasi-ring Airy vortex beam under limited-size receiving aperture and atmospheric turbulence // Opt. Express. 2021. V. 29, N 20. P. 32580–32590. DOI: 10.1364/OE.435863.
20. Ren Y.X., Xie G., Huang H., Bao Ch., Yan Y., Ahmed N., Lavery M.P.J., Erkmen B.I., Dolinar S., Tur M., Neifeld M.A., Padgett M.J., Boyd R.W., Shapiro J.H., Willner A.E. Adaptive optics compensation of multiple orbital angular momentum beams propagating through emulated atmospheric turbulence // Opt. Lett. 2014. V. 39, N 10. P. 2845–2848. DOI: 10.1364/OL.39.002845.
21. Dinesh P.P., Naik D.N., Narayanamurthy C.S. Insensitivity of higher order topologically charged Laguerre–Gaussian beams to dynamic turbulence impact // Opt. Commun. 2021. V. 495, N 127023. 8 p. DOI: 10.1016/j.optcom.2021.127023.
22. 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. DOI: 10.1038/srep42276.
23. Yu J., Huang Y., Wang F., Liu X., Gbur G., Cai Y. Scintillation properties of a partially coherent vector beam with vortex phase in turbulent // Opt. Express. 2019. V. 27, N 19. P. 26676–26688. DOI: 10.1364/OE.27.026676.
24. Фалиц А.В., Кусков В.В., Банах В.А., Герасимова Л.О., Цвык Р.Ш., Шестернин А.Н. Деформация и блуждание вихревых пучков в искусственной конвективной турбулентности // Оптика атмосф. и океана. 2023. Т. 36, № 8. С. 619–630. DOI: 10.15372/AOO20230802.
25. Funes G., Vial M., Anguita J.A. Orbital-angular-momentum crosstalk and temporal fading in a terrestrial laser link using single-mode fiber coupling // Opt. Express. 2015. V. 23, N 18. P. 23133–23142. DOI: 10.1364/OE.23.023133.
26. Азбукин А.А., Богушевич А.Я., Ильичевский В.И., Корольков В.А., Тихомиров А.А., Шелевой В.Д. Автоматизированный ультразвуковой метеорологический комплекс АМК-03 // Метеорол. и гидрол. 2006. № 11. С. 89−97.
27. Зуев В.Е., Банах В.А., Покасов В.В. Оптика турбулентной атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 270 с.