Сравнение устойчивости вихревых пучков Лагерра–Гаусса к случайным флуктуациям оптической среды
Карпеев С.В., Паранин В.Д., Кириленко М.С.

 

Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королёва,
Институт систем обработки изображений РАН – филиал ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН

Аннотация:
Численно и экспериментально исследовано распространение вихревых пучков Лагерра–Гаусса через случайную фазовую искажающую среду. Проанализировано влияние порядка моды на степень сохранения вихрей различных порядков в случайной среде. Экспериментально показано повышение устойчивости обнаружения вихря в пучке при небольшой дефокусировке выходного Фурье-каскада оптического коррелятора.

Ключевые слова:
пучки Лагерра–Гаусса, оптические вихри, случайные флуктуации оптической среды.

Цитирование:
Карпеев, С.В. Сравнение устойчивости вихревых пучков Лагерра–Гаусса к случайным флуктуациям оптической среды / С.В. Карпеев, В.Д. Паранин, М.С. Кириленко // Компьютерная оптика. – 2017. – Т. 41, № 2. – С. 208-217. – DOI: 10.18287/2412-6179-2017-41-2-208-217.

Литература:

  1. Wang, F. Propagation of partially coherent beam in turbulent atmosphere: a review (invited review) / F. Wang, X. Liu, Y. Cai // Progress In Electromagnetics Research. – 2015. – Vol. 150. – P. 123-143. – DOI: 10.2528/PI­ER15010802.
  2. Korotkova, O. Random light beams: theory and applications / O. Korotkova. – Boca Raton, FL: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2013. – 366 p. – ISBN: 978-1-4398-1950-0.
  3. Majumdar, A.K. Free-space laser communications: principles and advances / A.K. Majumdar, J.C. Ricklin. – New York: Springer Science & Business Media, 2008. – 418 p. – ISBN: 978-0-387-28652-5.
  4. Mishchenko, M.I. Electromagnetic scattering by particles and particle groups: An introduction / M.I. Mishchenko. – Cambridge: Cambridge University Press, 2014. – 450 p. – ISBN: 978-0-521-51992-2.
  5. Татарский, В.И. Теория флуктуационных явлений при распространении волн в турбулентной атмосфере / В.И. Татарский. – М.: Издательство Академии наук СССР, 1959. – 232 с.
  6. Dainty, J.C. Laser speckle and related phenomena / J.C. Dainty, A.E. Ennos, M. Françon, J.W. Goodman, T.S. McKechnie, G. Parry. – Berlin: Springer, 1975. – 286 p. – ISBN: 978-3-540-07498-4.
  7. Ishimaru, A. Wave propagation and scattering in random media / A. Ishimaru. – New York: Academic Press, 1978. – 572 p. – ISBN: 978-0-12-374701-3.
  8. Fante, R.L. Wave propagation in random media: a systems approach. / R.L. Fante // Progress in Optics. – 1985. – Vol. 22. – P. 341-398. – DOI: 10.1016/S0079-6638(08)70152-5.
  9. Andrews, L.C. Laser beam propagation through random media / L.C. Andrews, R.L. Phillips. – Bellingham, WA: SPIE Optical Engineering Press, 1998. – 434 p. – ISBN: 978-0-819-42787-8.
  10. Gbur, G. Spreading of partially coherent beams in random media / G. Gbur, E. Wolf // Journal of the Optical Society of America A. – 2002. – Vol. 19, Issue 8. – P. 1592-1598. – DOI: 10.1364/JOSAA.19.001592.
  11. Eyyuboglu, H.T. Complex degree of coherence for partially coherent general beams in atmospheric turbulence / H.T. Eyyuboglu, Y. Baykal, Y. Cai // Journal of the Optical Society of America A. – 2007. – Vol. 24, Issue 9. – P. 2891-2901. – DOI: 10.1364/JOSAA.24.002891.
  12. Wang, D. Evolution properties of the complex degree of coherence of a partially coherent Laguerre-Gaussian beam in turbulent atmosphere / D. Wang, F. Wang, Y. Cai, J. Chen // Journal of Modern Optics. – 2012. –Vol. 59, Issue 4. – P. 372-380. – DOI: 10.1080/09500340.2011.628419.
  13. Gbur, G. Vortex beam propagation through atmospheric turbulence and topological charge conservation / G. Gbur, R.K. Tyson // Journal of the Optical Society of America A. – 2008. – Vol. 25(1). – P. 225-230. – DOI: 10.1364/JOSAA.25.000225.
  14. Cai, Y. Propagation of various dark hollow beams in a turbulent atmosphere / Y. Cai, S. He // Optics Express. – 2006. – Vol. 14, Issue 4. – P. 1353-1367. – DOI: 10.1364/OE.14.001353.
  15. Eyyuboglu, H.T. Propagation of higher order Bessel-Gaussian beams in turbulence / H.T. Eyyuboglu // Applied Physics B. – 2007. – Vol. 88, Issue 2. – P. 259-265. – DOI: 10.1007/s00340-007-2707-6.
  16. Chu, X. Evolution of an Airy beam in turbulence / X. Chu // Optics Letters. – 2011. – Vol. 36, Issue 14. – P. 2701-2703. – DOI: 10.1364/OL.36.002701.
  17. Du, X. Changes in the statistical properties of stochastic anisotropic electromagnetic beams on propagation in the turbulent atmosphere / X. Du, D. Zhao, O. Korotkova // Optics Express. – 2007. – Vol. 15, Issue 25. – P. 16909-16915. – DOI: 10.1364/OE.15.016909.
  18. Wang, H. The propagation of radially polarized partially coherent beam through an optical system in turbulent atmosphere / H. Wang, D. Liu, Z. Zhou // Applied Physics B. – 2010. – Vol. 101, Issue 1. – P. 361-369. – DOI: 10.1007/s00340-010-4106-7.
  19. Ji, X. Effective Rayleigh range of Gaussian array beams propagating through atmospheric turbulence / X. Ji, Z. Pu // Optics Communications. – 2010. – Vol. 283, Issue 20. – P. 3884-3890. DOI: 10.1016/j.optcom.2010.06.025.
  20. Chen, C. Propagation of radial Airy array beams through atmospheric turbulence / C. Chen, H. Yang, M. Kavehrad, Z. Zhou // Optics and Lasers in Engineering. – 2014. – Vol. 52. – P. 106-114. – DOI: 10.1016/j.optlas­eng.2013.07.003.
  21. Soskin, M.S. Singular optics / M.S. Soskin, M.V. Vasnetsov. – In book: Progress in Optics / E. Wolf, ed. – Chapter 4. – Amsterdam, North Holland: Elsevier Science, 2001. – P. 219-276. – DOI: 10.1016/S0079-6638(01)80018-4.
  22. Bozinovic, N. Terabit-scale orbital angular momentum mode division multiplexing in fibers / N. Bozinovic, Y. Yue, Y. Ren, M. Tur, P. Kristensen, H. Huang, A.E. Willer, S. Ramachandran // Science. – 2013. – Vol. 340, Issue 6140. – P. 1545-1548. – DOI: 10.1126/science.1237861.
  23. Gibson, G. Free-space information transfer using light beams carrying orbital angular momentum / G. Gibson, J. Courtial, M.J. Padgett, M. Vasnetsov, V. Pas’ko, S.M. Barnett, S. Franke-Arnold // Optics Express. – 2004. – Vol. 12, Issue 22. – P. 5448-5456. – DOI: 10.1364/OPEX.12.005448.
  24. Wang, J. Terabit free-space data transmission employing orbital angular momentum multiplexing / J. Wang, J.-Y. Yang, I.M. Fazal, N. Ahmed, Y. Yan, H. Huang, Y. Ren, Y. Yue, S. Dolinar, M. Tur, A.E. Willner // Nature Photonics. – 2012. – Vol. 6. – P. 488-496. – DOI: 10.1038/npho­ton.2012.138.
  25. Хонина, С.Н. Вихревые лазерные пучки и их применение / С.Н. Хонина. – В кн.: Нанофотоника и её применение в системах ДЗЗ / Е.А. Безус, Д.А. Быков, Л.Л. Досколович, Н.Л. Казанский, С.В. Карпеев, А.А. Морозов, П.Г. Серафимович, Р.В. Скиданов, В.А. Сойфер, С.И. Ха­ритонов, С.Н. Хонина; под ред. В.А. Сойфера. – Самара: Новая техника, 2016. – Гл. 4. – С. 275-351. – ISBN: 978-5-88940-140-7.
  26. Soifer, V.A. Vortex beams in turbulent media: Review / V.A. Soifer, О. Korotkova, S.N. Khonina, Е.А. Shchepakina // Computer Optics. – 2016. – Vol. 40(5). – P. 605-624. – DOI: 10.18287/2412-6179-2016-40-5-605-624.
  27. Wang, T. Beam-spreading and topological charge of vortex beams propagating in a turbulent atmosphere / T. Wang, J. Pu, Z. Chen // Optics Communications. – 2009. – Vol. 282, Issue 7. – P. 1255-1259. – DOI: 10.1016/j.opt­com.2008.12.027.
  28. Malik, M. Influence of atmospheric turbulence on optical communications using orbital angular momentum for encoding / M. Malik, M. O’Sullivan, B. Rodenburg, M. Mirhosseini, J. Leach, M.P.J. Lavery, M.J. Padgett, R.W. Boyd // Optics Express. – 2012. – Vol. 20, Issue 12. – P. 13195-13200. – DOI: 10.1364/OE.20.013195.
  29. Porfirev, A.P. Study of propagation of vortex beams in aerosol optical medium / A.P. Porfirev, M.S. Kirilenko, S.N. Khonina, R.V. Skidanov, V.A. Soifer // Applied Optics. – 2017. – Vol. 56, Issue 11. – P. E8-E15. – DOI: 10.1364/AO.56.0000E8.
  30. Kotlyar, V.V. Light field decomposition in angular harmonics by means of diffractive optics / V.V. Kotlyar, S.N. Khonina, V.A. Soifer // Journal of Modern Optics. – 1998. – Vol. 45, Issue 7. – P. 1495-1506. – DOI: 10.1080/09500349808230644.
  31. Khonina, S.N. An analysis of the angular momentum of a light field in terms of angular harmonics / S.N. Khonina, V.V. Kotlyar, V.A. Soifer, P. Pääkkönen, J. Simonen, J. Turunen // Journal of Modern Optics. – 2001. – Vol. 48(10). – P. 1543-1557. – DOI: 10.1080/09500340108231783.
  32. Lutomirski, R.F. Propagation of a finite optical beam in an inhomogeneous medium / R.F. Lutomirski, H.T. Yura // Applied Optics. – 1971. – Vol. 10, Issue 7. – P. 1652-1658. – DOI: 10.1364/AO.10.001652.
  33. Feizulin, Z.I. Broadening of a laser beam in a turbulent medium / Z.I. Feizulin, Y.A. Kravtsov // Radiophysics and Quantum Electronics. – 1967. – Vol. 10, Issue 1. – P. 33-35. – DOI: 10.1007/BF01038157.
  34. Young, C.Y. Turbulence induced beam spreading of higher order mode optical waves / C.Y. Young, Y.V. Gilchrest, B.R. Macon // Optical Engineering. – 2002. – Vol. 41, Issue 5. – P. 1097-1103. – DOI: 10.1117/1.1465427.
  35. Прудников, А.П. Интегралы и ряды. Специальные функции / А.П. Прудников, Ю.А. Брычков, О.И. Маричев. – М.: Наука, 1983. – 748 c.
  36. Любопытов, В.С. Математическая модель полностью оптической системы детектирования параметров распространения мод в оптическом волокне при маломодовом режиме для адаптивной компенсации смешения мод / В.С. Любопытов, А.З. Тлявлин, А.Х. Султанов, В.Х. Багманов, С.Н. Хонина, С.В. Карпеев, Н.Л. Казанский // Компьютерная оптика. – 2013. – Т. 37, № 3. – С. 352-359.
  37. Berezny, A.E. Computer-generated holographic optical elements produced by photolithography / A.E. Berezny, S.V. Karpeev, G.V Uspleniev // Optics and Lasers in Engineering. – 1991. – Vol. 15(5). – P. 331-340. – DOI: 10.1016/0143-8166(91)90020-T.
  38. Khonina, S.N. Polarization converter for higher-order laser beams using a single binary diffractive optical element as beam splitter / S.N. Khonina, S.V. Karpeev, S.V. Alferov // Optics Letters. – 2012. – Vol. 37, Issue 12. – P. 2385-2387. – DOI: 10.1364/OL.37.002385.

© 2009, IPSI RAS
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: ko@smr.ru ; тел: +7 (846) 242-41-24 (ответственный секретарь), +7 (846) 332-56-22 (технический редактор), факс: +7 (846) 332-56-20