Том 38, номер 10, статья № 1

Аннотация:

Для передачи информации в атмосфере активно используются лазерные пучки. Однако предельная длина открытых коммуникационных линий ограничена вследствие деградации лазерных пучков, распространяющихся в турбулентной атмосфере. В связи с этим представляет интерес оценка возможности детектирования датчиками волнового фронта топологического заряда вихревого пучка, возмущенного атмосферными флуктуациями. Рассмотрена задача измерения датчиком Шэка–Гартмана наклонов волнового фронта вихревого лазерного пучка, распространяющегося на трассе в турбулентной атмосфере. Получены оценки изменения углов локальных наклонов волнового фронта, связанного с соленоидальной составляющей вектора Пойнтинга и турбулентными флуктуациями показателя преломления атмосферы. На примере нескольких конкретных моделей датчика Шэка–Гартмана исследована возможность расчета значения топологического заряда вихревого лагерр-гауссова пучка по измеренным углам локальных наклонов волнового фронта. Результаты могут быть использованы для улучшения существующих технологий оптической коммуникации в открытой атмосфере.

Ключевые слова:

оптический вихрь, турбулентная атмосфера, волновой фронт, функция взаимной когерентности, вектор Пойнтинга, оптическая связь

Список литературы:

1. Krenn M., Fickler R., Fink M., Handsteiner J., Malik M., Scheidl T., Ursin R., Zeilinger A. Communication with spatially modulated light through turbulent air across Vienna // New J. Phys. 2014. V. 16. DOI: 10.1088/1367-2630/16/11/113028.
2. Wang J. Advances in communications using optical vortices // Photon. Res. 2016. V. 4, N 5. P. B14–B28. DOI: 10.1364/prj.4.000b14.
3. Pandey A.K., Larrieu T., Dovillaire G., Kazamias S., Guilbaud O. Shack–Hartmann wavefront sensing of ultrashort optical vortices // Sensors. 2022. V. 22. P. 132. DOI: 10.3390/s22010132.
4. Yang T., Xu Y., Tian H., Die D., Du Q., Zhang B., Dan Y. Propagation of partially coherent Laguerre Gaussian beams through inhomogeneous turbulent atmosphere // J. Opt. Soc. Am. A. 2017. V. 34. P. 713–720. DOI: 10.1364/JOSAA.34.000713.
5. Xu Y., Li Y., Zhao X. Intensity and effective beam width of partially coherent Laguerre–Gaussian beams through a turbulent atmosphere // J. Opt. Soc. Am. A. 2015. V. 32. P. 1623–1630. DOI: 10.1364/JOSAA.32.001623.
6. Luo J., Huang H., Matsui Y., Toyoda H., Inoue T., Bai J. High-order optical vortex position detection using a Shack-Hartmann wavefront sensor // Opt. Express. 2015. V. 23. P. 8706–8719. DOI: 10.1364/OE.23.008706.
7. Huang C., Huang H., Toyoda H., Inoue T., Liu H. Correlation matching method for high-precision position detection of optical vortex using Shack–Hartmann wavefront sensor // Opt. Express. 2012. V. 20. P. 26099–26109. DOI: 10.1364/OE.20.026099.
8. Wang D., Huang H., Matsui Y., Tanaka H., Toyoda H., Inoue T., Liu H. Aberration-resistible topological charge determination of annular-shaped optical vortex beams using Shack–Hartmann wavefront sensor // Opt. Express. 2019. V. 27. P. 7803–7821. DOI: 10.1364/OE.27.007803.
9. 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 // Adv. Opt. Photon. 2015. V. 7. P. 66–106. DOI: 10.1364/AOP.7.000066.
10. Watkins R.J., Dai K., White G., Li W., Miller J.K., Morgan K.S., Johnson E.G. Experimental probing of turbulence using a continuous spectrum of asymmetric OAM beams // Opt. Express. 2020. V. 28. P. 924–935. DOI: 10.1364/OE.380405.
11. Богач Е.А., Адамов Е.В., Дудоров В.В., Колосов В.В. Распознавание противоположных по знаку орбитальных угловых моментов вихревых пучков в турбулентной атмосфере с помощью нейронных сетей // Оптика атмосф. и океана. 2025. Т. 38, № 4. С. 247–254. DOI: 10.15372/AOO20250401.
12. Котляр В.В., Ковалев А.А. Топологический заряд оптических вихрей. Самара: Новая техника, 2021. 180 с.
13. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1973. 720 с.
14. Маракасов Д.А., Рычков Д.С. Оценка изменения эффективного радиуса методом линий тока для осесимметричных лазерных пучков в турбулентной атмосфере // Оптика атмосф. и океана. 2016. Т. 29, № 4. С. 317–322. DOI: 10.15372/AOO20160409; Marakasov D.A., Rychkov D.S. Estimate of the change in the effective beam width by the streamline method for axisymmetric laser beams in a turbulent atmosphere // Atmos. Ocean. Opt. 2016. V. 29, N 5. P. 447–451.
15. Andrews L.C., Philips R.L. Laser beam propagation through random media // SPIE Press. 2005. 782 p. DOI: 10.1117/3.626196.