Исследование орбитального углового момента суперпозиций бездифракционных пучков Бесселя с комплексным смещением
Ковалёв А.А., Котляр В.В., Порфирьев А.П., Калинкина Д.С.

Институт систем обработки изображений РАН,
Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва
(национальный исследовательский университет) (СГАУ)

 

DOI: 10.18287/0134-2452-2015-39-2-172-180

Аннотация:
Получено аналитическое выражение для расчёта нормированного орбитального углового момента (ОУМ) для суперпозиции смещённых с оптической оси пучков Бесселя с одинаковым топологическим зарядом. Это выражение позволяет формировать бездифракционные пучки с разным распределением интенсивности, но с одинаковым ОУМ. Показано также, что комплексное смещение пучка Бесселя приводит к изменению распределения интенсивности в сечении пучка и изменению его ОУМ. Суперпозиция двух и более пучков Бесселя с комплексным смещением может не менять ОУМ, хотя распределение интенсивности будет меняться. Эксперимент хорошо согласуется с теорией.

Ключевые слова :
бездифракционный лазерный пучок, непараксиальная мода Бесселя, орбитальный угловой момент, комплексное смещение решения уравнения Гельмгольца, модулятор света.

Литература:

  1. Durnin, J. Exact solution for nondiffractive beams. I. The scalar theory / J. Durnin // Journal of the Optical Society of America A. – 1987. – Vol. 4, Issue 4. – P. 651-654.
  2. Durnin, J. Diffractive-free beams / J. Durnin, J.J. Miceli, J.H. Eberly // Physical Review Letters. – 1987. – Vol. 58, Issue 15. – P. 1499-1501.
  3. Turunen, J. Holographic generation of diffractive-free beams / J. Turunen, A. Vasara, A.T. Friberg // Applied Optics. – 1988. – Vol. 27, Issue 19. – P. 3959-3962.
  4. Vasara, A. Realization of general nondiffracting beams with computer-generated holograms / A. Vasara, J. Turunen, A.T. Friberg // Journal of the Optical Society of America A. – 1989. – Vol. 6, Issue 11. – P. 1748-1754.
  5. MacDonald, R.P. Interboard optical data distribution by Bessel beam shadowing / R.P. MacDonald, S.A. Boothroyd, T. Okamato, J. Chrostowski, B.A. Syrett // Optics Communications. – 1996. – Vol. 122. – P. 169–177.
  6. McQueen, C.A. An experiment to study a “nondiffracting” light beam / C.A. McQueen, J. Arlt, K. Dholakia // American Journal of Physics. – 1999. – Vol. 67. – P. 912–915.
  7. Barnett, S.M. Orbital angular momentum and nonparaxial light-beams / S.M. Barnett, L. Allen // Optics Communications. – 1994. – Vol. 110. – P. 670-678.
  8. Volke-Sepulveda, K. Orbital angular momentum of a high-order Bessel light beam / K. Volke-Sepulveda, V. Garcés-Chávez, S. Chávez-Cedra, J. Arlt, K. Dholakia // Journal of Optics B: Quantum and Semiclassical Optics. – 2002. – Vol. 4. – P. S82-S89.
  9. Kotlyar, V.V. Algorithm for the generation of non-diffracting Bessel modes / V.V. Kotlyar, S.N. Khonina, V.A. Soifer // Journal of Modern Optics. – 1995. – Vol. 42, Issue 6. – P. 1231-1239.
  10. Kotlyar, V.V. An algorithm for the generation of laser beams with londitudinal periodicity: rotating images / V.V. Kotlyar, S.N. Khonina, V.A. Soifer // Journal of Modern Optics. – 1997. – Vol. 44, Issue 7. – P. 1409-1416.
  11. Paakkonen, P. Rotating optical fields: experimental demonstration with diffractive optics / P. Paakkonen, J. Lautanen, M. Honkanen, M. Kuittinen, J. Turunen, S.N. Khonina, V.V. Kotlyar, V.A. Soifer, A.T. Friberg // Journal of Modern Optics. – 1998. – Vol. 45, Issue 11. – P. 2355-2369.
  12. Khonina, S.N. Generating a couple of rotating nondiffracting beams using a binary-phase DOE / S.N. Khonina, V.V. Kotlyar, V.A. Soifer, J. Lautanen, M. Honkanen, J. Turunen // Optik. – 1999. – Vol. 110, Issue 3. – P. 137-144.
  13. Lee, H.S. Holographic nondiverging hollow beam / H.S. Lee, B.W. Stewart, K. Choi, H. Fenichel // Physical Review A. – 1994. – Vol. 49, Issue 6. – P. 4922-4927.
  14. Herman, R.M. Production and uses of diffractionless beams / R.M. Herman, T.A. Wiggins // Journal of the Optical Society of America A. – 1991. – Vol. 8, Issue 6. – P. 932-942.
  15. Arlt, J. Generation of high-order Bessel beams by use of an axicon / J. Arlt, K. Dholakia // Optics Communications. – 2000. – Vol. 177. – P. 297-301.
  16. Kotlyar, V.V. Trochoson / V.V. Kotlyar, S.N. Khonina, V.A. Soifer, G.V. Uspleniev, M.V. Shinkarev // Optics Com­munications. – 1992. – Vol. 91, Issue 3-4. – P. 158-162.
  17. Devis, J.A. Intensity and phase measurements of nondiffracting beams generated with a magneto-optic spatial light modulator / J.A. Devis, E. Carcole, D.M. Cottrell // Applied Optics. – 1996. – Vol. 35, Issue 4. – P. 593-598.
  18. Khonina, S.N. Astigmatic Bessel laser beams / S.N. Kho­nina, V.V. Kotlyar, V.A. Soifer, K. Jefimovs, P. Paakkonen, J. Turunen // Journal of Modern Optics. – 2004. – Vol. 51, Issue 5. – P. 677-686.
  19. MacDonald, M.P. Creation and manipulation of three-dimensional optically trapped structures / M.P. MacDonald, L. Paterson, K. Volke-Sepulveda, J. Arlt, W. Sibbett, K. Dholakia // Science. – 2002. – Vol. 296. – P. 1101-1103.
  20. Garces-Chavez, V. Simultaneous micromanipulation in multiple planes using a self-reconstructing light beam / V. Garces-Chavez, D. McGloin, H. Melville, W. Sibbett, K. Dholakia // Nature. – 2002. – Vol. 419. – P. 145-147.
  21. Khonina, S.N. Rotation of microparticles with Bessel beams generated by diffractive elements / S.N. Khonina, V.V. Kotlyar, R.V. Skidanov, V.A. Soifer, K. Jefimovs, J. Simonen, J. Turunen // Journal of Modern Optics. – 2004. – Vol. 51, Issue 14. – P. 2167-2184.
  22. Arlt, J. Atom guiding long Laguerre-Gaussian and Bessel beams / J. Arlt, T. Hitomi, K. Dholakia // Applied Physics B: Lasers and Optics. – 2000. – Vol. 71, Issue 4. – P. 549-554.
  23. Arlt, J. Optical dipole traps and atomic waveguides based on Bessel light beams / J. Arlt, K. Dholakia, J. Soneson, E.M. Wright // Physical Review A. – 2001. – Vol. 63. – P. 063602.
  24. Kotlyar, V.V. Hankel-Bessel laser beams / V.V. Kotlyar, A.A. Kovalev, V.A. Soifer // Journal of the Optical Society of America A. – 2012. – Vol. 29, Issue 5. – P. 741-747.
  25. Zhu, Y. Probability density of the orbital angular momentum mode of Hankel-Bessel beams in an atmospheric turbulence / Y. Zhu, X. Liu, J. Gao, Y. Zhang, F. Zhao // Optics Express. – 2014. – Vol. 22, Issue 7. – P. 7765-7772.
  26. Bouchal, Z. Non-diffractive vector Bessel beams / Z. Bouchal, M. Olivik // Journal of Modern Optics. – 1995. – Vol. 42, Issue 8. – P. 1555-1566.
  27. Yu, Y.Z. Vector analysis of nondiffracting Bessel beams / Y.Z. Yu, W.B. Dou // Progress In Electromagnetics Research Letters. – 2008. – Vol. 5. – P. 57-71.
  28. Litvin, I.A. Poynting vector and orbital angular momentum density of superpositions of Bessel beams / I.A. Litvin, A. Dudley, A. Forbes // Optics Express. – 2011. – Vol. 19, Issue 18. – P. 16760-16771.
  29. Chen, Y.F. Generation of large orbital angular momentum from superposed Bessel beams corresponding to resonant geometric modes / Y.F. Chen, Y.C. Lin, W.Z. Zhuang, H.C. Liang, K.W. Su, K.F. Huang // Physical Review A. – 2012. – Vol. 85. – P. 043833.
  30. Kotlyar, V.V. Asymmetric Bessel modes / V.V. Kotlyar, A.A. Kovalev, V.A. Soifer // Optics Letters. – 2014. – Vol. 39, Issue 8. – P. 2395-2398.
  31. Kotlyar, V.V. Assymetric Bessel-Gauss beams / V.V. Kotlyar, A.A. Kovalev, R.V. Skidanov, V.A. Soifer // Journal of the Optical Society of America A. – 2014. – Vol. 31, Issue 9. – P. 1977-1983.
  32. Gong, L. Observation of the asymmetric Bessel bems with arbitrary orientation using a digital micromirror device / L. Gong, X. Qui, Y. Ren, H. Zhu, W. Liu, J. Zhou // Optics Express. – 2014. – Vol. 22, Issue 22. – P. 26763-26776.
  33. Sheppard, C.J.R. Two-dimensional complex source point solutions: application to propagationally invarint beams, optical fiber modes, planar waveguides, and plasmonic devices / C.J.R. Sheppard, S.S. Kou, J. Lin // Journal of the Optical Society of America A. – 2014. – Vol. 31, Issue 12. – P. 2674-2679.

© 2009, IPSI RAS
Institution of Russian Academy of Sciences, Image Processing Systems Institute of RAS, Russia, 443001, Samara, Molodogvardeyskaya Street 151; E-mail: ko@smr.ru; Phones: +7 (846) 332-56-22, Fax: +7 (846) 332-56-20