Эффект поворота спеклов при интерференции оптических вихрей и волноводных мод волоконного световода

Полный текст на elibrary.ru

Ссылка для цитирования:

Кизеветтер Д.В., Ильин Н.В. Эффект поворота спеклов при интерференции оптических вихрей и волноводных мод волоконного световода // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 8. С. 3–13. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-08-3-13

Kiesewetter D.V., Ilyin N.V. The effect of speckle rotation at the interference of optical vortices and waveguide modes of an optical fiber [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2024. V. 91. № 8. P. 3–13. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-08-3-13

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Интерференция волноводных мод и оптических вихрей в многомодовых волоконных световодах и свободном пространстве, спекл-структуры, возникающие в результате такой интерференции. Цель работы. Построение простейшей физической модели для объяснения эффекта поворота спеклов, формируемых выходящим излучением многомодового световода при перемещении плоскости наблюдения и оценка параметров вращения спеклов на основании экспериментального исследования. Метод. Численное моделирование было выполнено в приближении линейно-поляризованных модовых групп для волноводных мод и оптических вихрей многомодового волоконного световода со ступенчатым профилем показателя преломления. Для экспериментального исследования оптические вихри и волноводные моды световода возбуждались наклонным сфокусированным лазерным пучком, смещённым относительно оси. Выходящее излучение проецировалось на фотоприёмную матрицу телевизионной камеры. Были получены распределения интенсивности выходящего излучения при различном расстоянии от камеры до фокусирующего объектива. Основные результаты. На простейшей физико-математической модели объяснён эффект вращения пятен спеклов, возникающих вследствие интерференции оптических вихрей и основной волноводной моды при продольном перемещении вдоль оси световода. Показано, что полученный результат численного моделирования можно обобщить на более общий случай интерференции различных волноводных мод. Экспериментально подтверждён эффект поворота спеклов выходящего из световода излучения при перемещении плоскости наблюдения. Визуализировано движение пятен спеклов и определены параметры их вращения. Практическая значимость. Полученные в работе результаты могут быть использованы для проектирования волоконно-оптических датчиков, в частности — спеклинтерферометров.

Ключевые слова:

волоконный световод, оптический вихрь, спекл, интерференция, численное моделирование

Коды OCIS: 060.2310, 120.6150

Список источников:

1. Feng L., Li Y., Wu S., Li W., Qiu J., Hongxiang Guo, Xiaobin Hong, Yong Zuo, Jian Wu. A review of tunable orbital angular momentum modes in fiber: Principle and generation // Appl. Sci. 2019. V. 9. P. 2408. https://doi.org/10.3390/app9122408
2. Willner A.E., Pang K., Song H., Zou K., Zhou H. Orbital angular momentum of light for communications // Appl. Phys. Rev. 2021. V. 8. P. 041312. https://doi.org/10.1063/5.0054885
3. Pang F., Xiang L., Liu H., Zhang L., Wen J., Zeng X., Wang T. Review on fiber-optic vortices and their sensing applications // Journal of Lightwave Technology. 2021. V. 39. № 12. P. 3740–3750. https://opg.optica. org/jlt/abstract.cfm?URI=jlt-39-12-3740
4. Воляр А.В., Фадеева Т.А. Вихревая природа мод оптического волокна: I. Структура собственных мод // Письма в ЖТФ. 1996. Т. 22. № 8. С. 57–62.
5. Воляр А.В., Фадеева Т.А. Вихревая природа мод оптического волокна: II. Распространение оптических вихрей // Письма в ЖТФ. 1996. Т. 22. № 8. С. 63–67.
6. Ramachandran S., Kristensen P. Optical vortices in fiber // Nanophotonics. 2013. V. 2. № 5–6. P. 455–474. https://doi.org/10.1515/nanoph-2013-0047
7. Zhu J., Yao H., Cheng P., Shi F., Zeng X. Generating vortex Bessel-like beams based on all-fiber mode conversion // Proc. 2020 Asia Communications and Photonics Conference (ACP) and International Conference on Information Photonics and Optical Communications (IPOC). Beijing. China. 2020. P. 1–2. https://doi.org/10.1364/ACPC.2020.M4A.106
8. Zhang W., Li X., Zhang L., Huang L., Lu F., Gao F. Generation of cylindrical vector beams and optical vortex in a solid-core ring fiber based on an acoustically induced fiber grating // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 2020. V. 26. № 4. P. 4500205. http://doi.org/10.1109/JSTQE.2019.2906274
9. Ji K., Lin D., Davidson I.A., Wang S., Carpenter J., Amma Y., Jung Y., Richardson D.J. Generation of highpower picosecond optical vortex beams from a Yb-doped multicore fiber amplifier // Proc. 2022 Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO). San Jose. CA. USA. 2022. P. 1–2. https://doi.org/10.1364/CLEO_AT.2022.ATh2C.1
10. Feng J., Zhou J., Xu J., Feng Y., Zeng X. Generating femtosecond vortex beams based on broadband LPFG in Figure-9 mode-locked fiber laser // IEEE Photonics Technology Letters. 2022. V. 34. № 12. P. 625–628. https://doi.org/10.1109/JLT.2017.2676241
11. Vikulin D., Barshak E., Lapin B., Enina A., Alexeyev C., Yavorsky M. All-fiber spin-dependent optical vortex generation via flexural acoustic wave // Proc. 2021 International Conference on Information Technology and Nanotechnology (ITNT). Samara. Russian Federation. 2021. P. 1–4. http://doi.org/10.1109/ITNT52450.2021.9649221
12. Wu H., Xu J., Wang L., Teng L., Lv S., Pang F., Zeng X. Mode-locked vortex fiber laser based on high-order mode conversion // Proc. 2021 IEEE 9th International Conference on Information, Communication and Networks (ICICN). Xi'an. China. 2021. P. 613–616. http://doi.org/10.1109/JPHOT.2021.3077571
13. Dong Z., Sun H., Zhang Y., Zou J., Xu L., Luo Z. Visiblewavelength-tunable, vortex-beam fiber laser based on a long-period fiber grating // IEEE Photonics Technology Letters. 2021. V. 33. № 21. P. 1173–1176. https://doi.org/10.1109/LPT.2021.3111191
14. Pryamikov A.D., Alagashev G.K. Vortex supported waveguiding in microstructured optical fibers // Proc.22nd International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON). Bari. Italy. 2020. P. 1–3. http://doi.org/10.1109/ICTON51198.2020.9203377
15. Yue Y., Geng W. Beyond octave-spanning supercontinuum generation of optical vortices in ring-core photonic crystal fiber // Proc. 30th Wireless and Optical Communications Conference (WOCC). Taipei. Taiwan. 2021. P. 195–196. https://doi.org/10.1109/WOCC53213.2021.9602996
16. Alexeyev C.N., Barshak E.V., Lapin B.P., Vikulin D., Yavorsky M. Propagation of optical vortices in fiber ring resonators // Proc. 2021 International Conference on Information Technology and Nanotechnology (ITNT). Samara. Russian Federation. 2021. P. 1–4. https://doi.org/10.1109/ITNT52450.2021.9649388
17. Alexeyev C., Barshak E., Vikulin D., Lapin B., Yavorsky M. Propagation of optical vortices in the system of twisted anisotropic and multihelical optical fibers // 2021 International Conference on Information Technology and Nanotechnology (ITNT). Samara. Russian Federation. 2021. P. 1–4. https://doi.org/10.1109/ITNT52450.2021.9649337
18. Wang J., Liu J., Li S., Yifan Z., Jing D., Zhu L. Orbital angular momentum and beyond in free-space optical communications // Nanophotonics. 2022. V. 11. № 4. P. 645–680. https://doi.org/10.1515/nanoph-2021-0527
19. Kovalev A.A., Kotlyar V.V., Porfirev A.P. Orbital angular momentum and topological charge of a multivortex Gaussian beam // Journal of the Optical Society of America A. 2020. V. 37. № 11. P. 1740–1747. https://doi.org/10.1364/JOSAA.401561
20. Kotlyar V.V., Kovalev A.A. Optical vortex beams with a symmetric and almost symmetric OAM spectrum // Journal of the Optical Society of America A. 2021. V. 38. P. 1276–1283. https://doi.org/10.1364/josaa.432623
21. Kovalev A.A., Kotlyar V.V. Orbital angular momentum of superpositions of optical vortices perturbed by a sector aperture // Photonics. 2022. V. 9. № 531. https://doi.org/10.3390/photonics9080531
22. Kotlyar V., Kovalev A., Nalimov A., Kozlova E. Preservation of optical vortex OAM after distortion by a diaphragm // Proc. 2022 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech). St. Petersburg. Russian Federation. 2022. P. 305–309. https://doi.org/10.1109/EExPolytech56308.2022. 9950990
23. Кизеветтер Д.В. Влияние дефектов торцевых поверхностей световода на параметры модового шума при наличии оптических вихрей // Оптический журнал. 2013. Т. 80. № 1. С. 10–16.
24. Кизеветтер Д.В., Малюгин В.И., Ильин Н.В., Чангсен Сан. Исследование спекл-структур, сформированных оптическими вихрями волоконных световодов // Оптический журнал. 2015. Т. 82. № 3. С. 60–64.
25. Ильин Н.В., Кизеветтер Д.В. Метод возбуждения оптических вихрей в градиентных волоконных световодах // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки. 2010. Т. 2(98). С. 96–102.
26. Ильин Н.В., Кизеветтер Д.В. Численное моделирование распределения интенсивности света вблизи выходного торца волоконного световода при наличии оптических вихрей // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки. 2013. Т. 1(165). С. 108–113.