Еволюція та характеристики лазерних пучків з оптичними сингулярностями - Автореферат

Актуальність теми: дисертація присвячена дослідженням, що знаходяться в царині нового, бурхливо досліджуваного напрямку сучасної оптики - сингулярній оптиці і повязана з вивченням деяких характеристик і закономірностей розповсюдження світла. Такі явища як аберація, спекл-поле перестають вважатись шкідливими з якими необхідно боротись, тепер за допомогою нових надбань науки ці обєкти, а також явища і їх характеристики привернули свою увагу науковців, так як самі по собі несуть багато інформації про обєкт що їх породив, тобто являються закодованими носіями інформації про обєкт. Результати досліджень оптичних сингулярностей не тільки дають можливість отримати більше інформації про розповсюдження світла, але й дають можливість застосовувати обєкти досліджень для отримання принципово нових знань, а також для їх практичного застосування. Сингулярності в природі - це досить розповсюджене явище і в оптиці також, про них було відомо досить давно, майже століття тому, але процес детального і систематичного вивчення оптичних сингулярностей зокрема оптичних вихорів (ОВ) або дислокацій хвильового фронта та сингулярностей векторних полів (СВП) розпочався 20 років тому, причому основна маса публікацій приходиться на минулі 10 років і їх кількість продовжує зростати. Для випадку перетину диполя оптичних вихорів із кільцевою крайовою дислокацією встановлено зміну знаку топологічного заряду оптичних вихорів на протилежний, а також інверсію значень розподілу орбітального кутового моменту.В циліндричних координатах (r,j,z) рівняння моди LGLP має вигляд: , (1) де Е0-амплітудний параметр, - поліном Лагуерра з цілочисельними індексами p та l, w0-“перетяжка” (діаметр) променя (в z = 0), де інтенсивність зменшується в 1/е відносно максимальної, довжина Релея (відстань на якій поперечний розмір променя збільшується в раз), - кривизна хвильового фронту, - фаза Гуі, величина якої змінюється від перетяжки (z=0) до дальньої зони і досягає значення-p/2, а величина в фазі Гуі називається модовим коефіцієнтом. Той факт, що розподіл ОКМ має симетрію, а також рівні по модулю, але протилежні по знаку значення дає сумарний кутовий момент диполя і квадруполя ОВ Lz = 0. Дане співвідношення фаз ініціюючих мод дозволяє отримати комбінований пучок, що містить топологічну реакцію при проходженні через перетяжку - до перетяжки ми маємо один розподіл ОКМ, а після кільцевої крайової дислокації інвертований, це повязано із тим що ОВ змінили свій знак на протилежний. Відстань між ОВ в цих комбінованих променях визначається темним кільцем моди LG10, а суперпозиція цієї моди із Гаусовою дозволяє змінювати діаметр темного кільця і таким чином варіювати відстань між ОВ і отримувати керовану анігіляцію, що можна досягти декількома способами - змінюючи амплітуду, фазу або перетяжку TEM00. У випадках (в) і (г) розглядається комбінований пучок вже після анігіляції, в розподілах інтенсивності видно темні “сліди” анігіляції ОВ - зони з провалом в інтенсивності який не досягає нуля, на фазовій картині скачок фази відсутній (має місце дуже крутий схил) - випадок (в), а у випадку (г) хвильовий фронт взагалі гладкий і не має скачка - контурні лінії на фазовій карті не дотикаються.Встановлено закономірність розповсюдження ОВ, а саме - повздовжній оптичний вихор при „перетині” із поперечною дислокацією змінює свій знак на протилежний. Експериментально та за допомогою компютерного моделювання досліджено зміну знаку оптичного вихору при перетині його із крайовою дислокацією - зокрема при перетині диполем кільцевої крайової дислокації, а також трансформація ОВ при проходженні через циліндричну лінзу. Вперше зафіксовано ефект подвійної зміни знаку топологічного заряду ОВ після проходження через циліндричну лінзу. Методом компютерного моделювання досліджено структуру поля і розподіл ОКМ складних комбінованих оптичних променів, що містять „диполі” та „квадруполі” ОВ. Використання циліндричної лінзи дозволило запропонувати і розробити простий метод для визначення заряду та знаку ОВ, що було продемонстровано на Лагуерра-Гаусових модах типу LG0N, де N - довільне ціле число.

Основний зміст дисертації

Встановлено закономірність розповсюдження ОВ, а саме - повздовжній оптичний вихор при „перетині” із поперечною дислокацією змінює свій знак на протилежний. Експериментально та за допомогою компютерного моделювання досліджено зміну знаку оптичного вихору при перетині його із крайовою дислокацією - зокрема при перетині диполем кільцевої крайової дислокації, а також трансформація ОВ при проходженні через циліндричну лінзу. Вперше зафіксовано ефект подвійної зміни знаку топологічного заряду ОВ після проходження через циліндричну лінзу.

Методом компютерного моделювання досліджено структуру поля і розподіл ОКМ складних комбінованих оптичних променів, що містять „диполі” та „квадруполі” ОВ. Крім того, досліджено структуру поля і розподіл ОКМ топологічних реакцій, таких як: аннігіляція диполя та квадруполя ОВ, а також зміна знака ОВ при перетині крайової дислокації.

Використання циліндричної лінзи дозволило запропонувати і розробити простий метод для визначення заряду та знаку ОВ, що було продемонстровано на Лагуерра-Гаусових модах типу LG0N, де N - довільне ціле число.

Розроблено методику, яка дозволяє вимірювати характеристики векторного поля для параксіального променя, а також визначати сингулярності їх характеристики та особливості векторного поля, що необхідні для побудови скелетона поля. Вперше експериментальним чином підтверджено правило знаків для топологічного індексу С-точок, петлевий закон для біфуркаційних ліній та створено сітки топологічних особливостей досліджуємого векторного поля.

Основні результати роботи опубліковано в статтях

1. Denisenko V.G., Vasnetsov M.V., Soskin M.S.. Distribution of orbital angular momentum in a combined beam carrying optical vortices // Proceeding of SPIE. - 2000. - № 4403. - C. 82-89.

2. Denisenko V.G., Soskin M.S., Vasnetsov M.V.. Transformation of Laguerre-Gaussian modes carrying optical vortices and their orbital angular momentum by cylindrical lens // Proceeding of SPIE. - 2001. - № 4607. - C. 54-58.

3. Бекшаев А.Я., Васнецов М.В., Денисенко В.Г., Соскин М.С. Преобразование орбитального углового момента пучка с оптическим вихрем в астигматической оптической системе // Письма в ЖЕТФ. - 2002. - Том 75. - Вып. 3. - С. 155-158.

4. Денисенко В.Г., Галіч Г.А., Слюсар В.В., Соскін М.С.. Дослідження поляризаційних сингулярностей та топології векторних оптичних хвиль // УФЖ. - 2003 (публікується).

5. Soskin M.S., Denisenko V., Freund I. Optical polarization singularities and elliptic stationary points // Optics Letters. - 2003. - Vol. 28, № 16. - C. 1475-1477.