Исследование устойчивости топологического заряда многокольцевых вихревых пучков Лагерра–Гаусса к случайным искажениям

Кириленко М.С.1, Хонина С.Н.1,2

1 Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва, 443086, Россия, Самарская область, Самара, Московское шоссе, д. 34,

2 ИСОИ РАН – филиал ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН, 443001, Россия, Самарская область, Самара, ул. Молодогвардейская, д. 151

Аннотация:
Выполнено сравнительное численное исследование сохранения свойств отдельных пучков Лагерра–Гаусса и их суперпозиций в случайной среде. Моделирование основано на расширенном принципе Гюйгенса–Френеля. Исследования показали, что увеличение числа колец мод Лагерра–Гаусса при сохранении порядка оптического вихря позволяет увеличить отношение энергии минимального информативного коэффициента к энергии максимального паразитного коэффициента, что важно при детектировании закодированной в коэффициентах информации. Кроме того, увеличение числа колец несколько нивелирует более сильное воздействие случайных флуктуаций на пучки с высокими топологическими зарядами. Этот эффект можно объяснить структурной избыточностью многокольцевых распределений (в каждом кольце вихревая фазовая структура пучка повторяется). Аналогичный результат был получен для пучков, соответствующих двухмодовой суперпозиции. Лучший результат по сохранению информации получен для суперпозиции с дублированием информации в комплексно-сопряжённых коэффициентах, а лучшее отношение информативной энергии к паразитной было получено для пучков с наибольшей площадью поперечного распределения.

Ключевые слова:
пучки Лагерра–Гаусса, оптические вихри, орбитальный угловой момент, случайные флуктуации оптической среды, расширенный принцип Гюйгенса–Френеля

Цитирование:
Кириленко, M.C. Исследование устойчивости топологического заряда многокольцевых вихревых пучков Лагерра–Гаусса к случайным искажениям / М.С. Кириленко, С.Н. Хонина // Компьютерная оптика. – 2019. – Т. 43, № 4. – С. 567-576. – DOI: 10.18287/2412-6179-2019-43-4-567-576.

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, 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. – Vol. 2. – New York: Springer Science and Business Media, 2008. – 418 p. – ISBN: 978-0-387-28652-5.
  4. Mishchenko, M.I. Electromagnetic scattering by particles and particle groups: An introduction. Cambridge: Cambridge University Press, 2014. – 450 p. – ISBN: 978-0-521-51992-2.
  5. Tatarskii, V.I. Wave propagation in a turbulent medium / V.I. Tatarskii. – New York: McGraw-Hill, 1961.
  6. Laser speckle and related phenomenon / ed. by J.C. Dainty. – Berlin: Springer, 1975.
  7. Ishimaru, A. Wave propagation and scattering in random media / A. Ishimaru. – Academic Press, New York, 1978. – 272 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, Washington: SPIE Press, 1998.
  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.
  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.
  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.
  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. – 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.
  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.
  16. Chu, X. Evolution of an Airy beam in turbulence / X. Chu, Optics Letters. – 2011. – Vol. 36, Issue 14. – P. 2701-2703.
  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.
  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, Issues 1-2. – P. 361-369.
  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.
  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.
  21. Soskin, M.S. Singular optics / M.S. Soskin, M.V. Vasnetsov. – In book: Progress in Optics / E. Wolf, ed. – Chapter 4. – Vol. 42. – Amsterdam, North Holland: Elsevier Science, 2001. – P. 219-276.
  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. – P. 5448-5456.
  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.
  25. Хонина, С.Н. Вихревые лазерные пучки и их применение / С.Н. Хонина. – В кн.: Нанофотоника и её примение в системах ДЗЗ / под ред. В.А. Сойфера. – Самара: Новая техника, 2016. – Гл. 4. – С. 275-351.
  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. Kogelnik, H. Laser beams and resonators / H. Kogelnik, T. Li. // Applied Optics. – 1966. – Vol. 5, Issue 10. – P. 1550-1567.
  28. Allen, L. Orbital angular momentum of light and the transformation of Laguerre–Gaussian laser modes / L. Allen, M.W. Beijersbergen, R.J.C. Spreeuw, J.P. Woerdman // Physical Review A. – 1992. – Vol. 45, Issue 11. – P. 8185-8189.
  29. Gatto, A. Free-space orbital angular momentum division multiplexing with Bessel beams / A. Gatto, M. Tacca, P. Martelli, P. Boffi, M. Martinelli // Journal of Optics. – 2011. – Vol. 13, Issue 6. – 064018.
  30. Mendez, G. Orbital angular momentum and highly efficient holographic generation of nondiffractive TE and TM vector beams / G. Mendez, A. Fernando-Vazquez, R.P. Lopez // Optics Communications. – 2015. – Vol. 334. – P. 174-183.
  31. Харитонов, С.И. Вычисление момента импульса электромагнитного поля внутри волновода с абсолютно проводящими стенками: ab initio / С.И. Харитонов, С.Г. Волотовский, С.Н. Хонина // Компьютерная оптика. – 2018. – Т. 42, № 4. – С. 588-605. – DOI: 10.18287/2412-6179-2018-42-4-588-605.
  32. Paterson, C. Atmospheric turbulence and orbital angular momentum of single photons for optical communication / C. Paterson // Physical Review Letters. – 2005. – Vol. 94, Issue 15. – 153901.
  33. Cheng, M. Channel capacity of the OAM-based free-space optical communication links with Bessel–Gauss beams in turbulent ocean / M. Cheng, L. Guo, J. Li, Y. Zhang // IEEE Photonics Journal. – 2016. – Vol. 8, Issue 1. – P. 1-11.
  34. Guan, B. Free-space coherent optical communication with orbital angular, momentum multiplexing/demultiplexing using a hybrid 3D photonic integrated circuit / B. Guan, R.P. Scott, Ch. Qin, N.K. Fontaine, T. Su, C. Ferrari, M. Cappuzzo, F. Klemens, B. Keller, M. Earnshaw, S.J.B. Yoo // Optics Express. – 2014. – Vol. 22, Issue 1. – P. 145-156. – DOI: 10.1364/OE.22.000145.
  35. 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.
  36. 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.
  37. 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.
  38. 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.
  39. 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.
  40. Bekshaev, A. Paraxial light beams with angular momentum / A. Bekshaev, M. Soskin, M. Vasnetsov. – Nova Science, 2008.
  41. Torres, J.P. Multiplexing twisted light / J.P. Torres // Nature Photonics. – 2012. – Vol. 6. – P. 420-422. – DOI: 10.1038/nphoton.2012.154.
  42. Kirilenko, M.S. Information transmission using optical vortices / M.S. Kirilenko, S.N. Khonina // Optical Memory and Neural Networks (Information Optics). – 2013. – Vol. 22, Issue 2. – P. 81-89. – DOI: 10.3103/S1060992X13020069.
  43. Almazov, A.A. Using phase diffraction optical elements to shape and select laser beams consisting of a superposition of an arbitrary number of angular harmonics / A.A. Almazov, S.N. Khonina, V.V. Kotlyar // Journal of Optical Technology. – 2005. – Vol. 72, Issue 5. – P. 391-399. – DOI: 10.1364/JOT.72.000391.
  44. 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.
  45. 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, Issue 10. – P. 1543-1557. – DOI: 10.1080/09500340108231783.
  46. Khonina, S.N. A technique for simultaneous detection of individual vortex states of Laguerre–Gaussian beams transmitted through an aqueous suspension of microparticles / S.N. Khonina, S.V. Karpeev, V.D. Paranin // Optics and Lasers in Engineering. – 2018. – Vol. 105. – P. 68-74. – DOI: 10.1016/j.optlaseng.2018.01.006.
  47. Интегралы и ряды. Специальные функции / А.П. Пруд­ников, Ю.А. Брычков, О.И. Маричев. – М.: Наука, 1983.
  48. 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. – P. 1097-1103.

     


© 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