ITMO
en/ en

ISSN: 1023-5086

en/

ISSN: 1023-5086

Научно-технический

Оптический журнал

Полнотекстовый перевод журнала на английский язык издаётся Optica Publishing Group под названием “Journal of Optical Technology“

Подача статьи Подать статью
Больше информации Назад

DOI: 10.17586/1023-5086-2024-91-04-3-15

УДК: 535.015, 535.421

Идентификация эрмит-гауссовых и бесселевых мод терагерцового пучка с помощью дифракционных оптических элементов

Осинцева Н.Д., Герасимов В.В., Чопорова Ю.Ю., Кукотенко В.Д., Павельев В.С., Князев Б.А.

Полный текст на elibrary.ru

Ссылка для цитирования:

Осинцева Н.Д., Герасимов В.В., Чопорова Ю.Ю., Кукотенко В.Д., Павельев В.С., Князев Б.А. Идентификация эрмит-гауссовых и бесселевых мод терагерцового пучка с помощью дифракционных оптических элементов // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 4. С. 3–15. https://orcid.org/10.17586/1023-5086-2024-91-04-3-15

 

Osintseva N.D., Gerasimov V.V., Choporova Yu.Yu., Kukotenko V.D., Pavelyev V.S., Knyazev B.A. Identification of Hermite–Gaussian and Bessel modes of terahertz beam with diffractive optical elements [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2024. V. 91. № 4. P. 3–15. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-04-3-15

Ссылка на англоязычную версию:
-
Аннотация:

Предмет исследования. Исследована возможность идентификации эрмит-гауссовых и бесселевых мод в составе пучка терагерцового излучения с помощью дифракционных оптических элементов. Цель работы. Разработка и апробация метода идентификации модового состава пучка излучения терагерцового диапазона с помощью бинарных фазовых дифракционных оптических элементов для одномодового и многомодового случаев. Метод. Предложенный подход основан на детектировании фурье-образа пучка после прохождения элемента с фазовой функцией, согласованной с искомой модой. Пучок с высоким содержанием исследуемой моды формировался с помощью бинарного фазового дифракционного элемента, далее освещал фильтрующую систему из аналогичного элемента и линзы. В случае  совпадения мод, с которыми были согласованы формирующий и фильтрующий элементы, наблюдалось светлое пятно в центре, так называемый положительный отклик. В противном случае в центре наблюдались радиально-симметрично расположенные лепестки с темным пятном в центре, что соответствует негативному отклику. Основные результаты.  Приводятся экспериментальные результаты по идентификации эрмит-гауссовых (с номерами (1, 0) и (0, 1)) и бесселевых мод (со значением модуля топологического заряда |l| = 1, 2, 3, 4) в случае одномодового пучка. Для случая многомодового пучка формировалась комбинация из бесселевых пучков с топологическими зарядами –1 и –2. Практическая значимость. Беспроводная передача данных на терагерцовых частотах (целевой диапазон частот следующего поколения связи 6G) многомодовыми бесселевыми пучками позволит значительно повысить информационную плотность передаваемых данных и достичь скоростей порядка Тбит/с. Использованный в работе метод может быть применён для идентификации модового состава пучка в случае передачи нескольких сигналов на одной частоте.

Ключевые слова:

терагерцовый диапазон, дифракционная оптика, фазовый аксикон, пучки Бесселя, пучки Эрмита–Гаусса, оптические вихри

Благодарность:

авторы выражают благодарность Г.Н. Кулипанову и Н.А. Винокурову за поддержку работы, команду лазера на свободных электронах за обеспечение стабильной работы установки и Н.А. Николаева за полезные  рекомендации и помощь в редактировании рукописи. В работе использовалось оборудование центра коллективного пользования «Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения» на базе уникальной научной установки «Новосибирский ЛСЭ» в ИЯФ СО РАН.

Коды OCIS: 050.1380, 070.6110, 140.2600

Список источников:
  1. Allen L., Beijersbergen M.W., Spreeuw R.J.C. et al. Orbital angular momentum of light and the transformation of Laguerre–Gaussian laser modes // Phys. Rev. A. 1992. V. 45. № 11. P. 8185–8189. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.45.8185
  2. Князев Б.А., Сербо В.Г. Пучки фотонов с ненулевой проекцией орбитального момента импульса: новые результаты // Успехи физических наук. 2018. Т. 188. № 5. С. 508–539. https://doi.org/10.3367/UFNr.2018.02.038306
  3. Shen Y., Wang X., Xie Z. et al. Optical vortices 30 years on: OAM manipulation from topological charge to multiple singularities // Light Sci Appl. 2019. V. 8. № 1. P. 90. https://doi.org/10.1038/s41377-019-0194-2
  4. Yang H., Zheng S., He W. et al. Terahertz orbital angular momentum: Generation, detection and communication // China Commun. 2021. V. 18. № 5. P. 131–152. https://doi.org/10.23919/JCC.2021.05.009
  5. Khonina S.N., Kazanskiy N.L., Karpeev S.V. et al. Bessel beam: Significance and applications – A progressive review // Micromachines. 2020. V. 11. № 11. P. 997. https://doi.org/ 10.3390/mi11110997
  6. Шкуратова В.А., Костюк Г.К., Петров А.А. и др. Мультиплицирование гауссова пучка многосекторной бинарной фазовой пластиной в скалярные вихревые пучки для лазерной микрообработки // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 5. С. 93–103. https://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-05-93-103
  7. Wang J., Yang J.Y., Fazal I.M. et al. Terabit free-space data transmission employing orbital angular momentum multiplexing // Nature Photon. 2012. V. 6. № 7. P. 488–496. https://doi.org/10.1038/nphoton.2012.138
  8. Tamburini F., Mari E., Sponselli A. et al. Encoding many channels on the same frequency through radio vorticity: first experimental test // New J. Phys. 2012. V. 14. № 3. P. 033001. https://doi.org/10.1088/1367-2630/14/3/033001
  9. Kabir Md.A., Ahmed K., Hassan M.M. et al. Design a photonic crystal fiber of guiding terahertz orbital angular momentum beams in optical communication // Optics Communications. 2020. V. 475. P. 126192. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2020.126192
  10. Kulya M.S., Sokolenko B., Gorodetsky A. et al. Propagation dynamics of ultrabroadband terahertz beams with orbital angular momentum for wireless data transfer // Broadband Access Communication Technologies XIV. SPIE. 2020. V. 11307. P. 112–119. https://doi.org/10.1117/12.2547695
  11. Fickler R., Campbell G., Buchler B. et al. Quantum entanglement of angular momentum states with quantum numbers up to 10,010 // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2016. V. 113. № 48. P. 13642–13647. https://doi.org/10.1073/pnas.1616889113
  12. Zhu L., Wang J. A review of multiple optical vortices generation: methods and applications // Front. Optoelectron. 2019. V. 12. № 1. P. 52–68. https://doi.org/10.1007/s12200-019-0910-9
  13. Liu X., Huang S., Xie W. и др. New topological charge parallel measurement method of optical vortex based on computer-generated holography (Новый метод параллельного измерения топологического заряда в оптических вихрях на основе компьютерной голографии) [на англ. яз.] // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 2. С. 43–51. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-02-43-51
  14. Shen Z., Hu Z.J., Yuan G.H. et al. Visualizing orbital angular momentum of plasmonic vortices // Opt. Lett. 2012. V. 37. № 22. P. 4627. https://doi.org/10.1364/OL.37.004627
  15. Stellinga D., Pietrzyk M.E., Glackin, J.M. et al. An organic vortex laser // ACS Nano. 2018. V. 12. № 3. P. 2389–2394. https://doi.org/10.1021/acsnano.7b07703
  16. Tudor R., Bulzan G.A., Kusko M. et al. Multilevel spiral axicon for high-order Bessel–Gauss beams generation // Nanomaterials. 2023. V. 13. № 3. P. 579. https://doi.org/10.3390/nano13030579
  17. Zhao L., Jiang X., Wang Z. et al. Broadband achromatic metalens for tunable focused vortex beam generation in the near-infrared range // Nanomaterials. 2023. V. 13. № 20. P. 2765. https://doi.org/10.3390/nano13202765
  18. Liu J., Gu J., Huang L. et al. Mid-infrared vortex array generation with a tunable singularity in an Er: YAP laser // Applied Physics Letters. AIP Publishing. 2023. V. 123. № 2. https://doi.org/10.1063/5.0158153
  19. Tollkühn M., Ritter P.J., Hanisch D. et al. THz microscopy with Josephson cantilevers for characterization of additive manufactured spiral phase plates // IEEE Trans. Appl. Supercond. 2023. V. 33. № 5. P. 1–5. https://doi.org/10.1109/TASC.2023.3261260
  20. Vogliardi A., Ruffato G., Bonaldo D. et al. Silicon metaoptics for the compact generation of perfect vector beams in the telecom infrared // Optics Letters. 2023. V. 48. № 18. P. 4925–4928. https://doi.org/10.1364/OL.501239
  21. Krenn M., Fickler R., Fink M. et al. Communication with spatially modulated light through turbulent air across Vienna // New J. Phys. 2014. V. 16. № 11. P. 113028. https://doi.org/10.1088/1367-2630/16/11/113028
  22. Terzi M.E., Tsysar S.A., Yuldashev P.V. et al. Generation of a vortex ultrasonic beam with a phase plate with an angular dependence of the thickness // Moscow Univ. Phys. 2017. V. 72. № 1. P. 61–67. https://doi.org/10.3103/S0027134916050180
  23. He J., Wang X., Hu D. et al. Generation and evolution of the terahertz vortex beam // Opt. Express. 2013. V. 21. № 17. P. 20230. https://doi.org/10.1364/OE.21.020230
  24. Miyamoto K., Suizu K., Akiba T. et al. Direct observation of the topological charge of a terahertz vortex beam generated by a Tsurupica spiral phase plate // Appl. Phys. Lett. 2014. V. 104. № 26. P. 261104. https://doi.org/10.1088/1367-2630/16/11/113028
  25. Zhu L., Wei X., Wang J. et al. Experimental demonstration of basic functionalities for 0.1-THz Orbital Angular Momentum (OAM) communications // OFC 2014. San Francisco, California United States. March 9–13, 2014. P. 1–3. https://doi.org/10.1364/OFC.2014.M3K.7
  26. Chen Z., Ma X., Zhang B. et al. A survey on terahertz communications // China Communications. 2019. V. 16. № 2. P. 1–35. https://doi.org/10.12676/j.cc.2019.02.001
  27. Jia S., Zhang L., Wang S. et al. 2ґ300 Gbit/s line rate PS-64QAM-OFDM THz photonic-wireless transmission // J. Lightwave Technol. 2020. V. 38. № 17. P. 4715–4721. https://doi.org/10.1109/JLT.2020.2995702
  28. Guan S., Cheng J., Chang S. Recent progress of terahertz spatial light modulators: Materials, principles and applications // Micromachines. 2022. V. 13. № 10. P. 1637. https://doi.org/10.3390/mi13101637
  29. Glyavin M.Yu. Development and applications of THz gyrotrons // EPJ Web Conf. 2017. V. 149. P. 01008. https://doi.org/10.1051/epjconf/201714901008
  30. Glyavin M.Yu., Luchinin A.G., Golubiatnikov G.Yu. Generation of 1.5-kW, 1-THz coherent radiation from a gyrotron with a pulsed magnetic field // Phys. Rev. Lett. 2008. V. 100. № 1. P. 015101. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.100.015101
  31. Shevchenko O.A., Vinokurov N.A., Arbuzov V.S. et al. The Novosibirsk free electron laser facility // AIP Conf. Proc. 2020. V. 2299. № 1. P. 020001. https://doi.org/10.1063/5.0031513
  32. Tan P., Huang J., Liu K. et al. Terahertz radiation sources based on free electron lasers and their applications // Sci. China Inf. Sci. 2012. V. 55. № 1. P. 1–15. https://doi.org/10.1007/s11432-011-4515-1
  33. Agafonov A.N., Volodkin B. O., Kaveev A. K. et al. Silicon diffractive optical elements for high-power monochromatic terahertz radiation // Optoelectron. Instrument. Proc. 2013. V. 49. № 2. P. 189–195. https://doi.org/10.3103/S875669901302012X
  34. Pavelyev V., Khonina S., Degtyarev S. et al. Subwavelength diffractive optical elements for generation of terahertz coherent beams with pre-given polarization state // Sensors. 2023. V. 23. № 3. P. 1579. https://doi.org/10.3390/s23031579
  35. Choporova Yu.Yu., Knyazev B.A., Kulipanov G.N. et al. High-power Bessel beams with orbital angular momentum in the terahertz range // Phys. Rev. A. 2017. V. 96. № 2. P. 023846. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.96.023846
  36. Choporova Y., Knyazev B., Pavelyev V. Holography with high-power CW coherent terahertz source: optical components, imaging, and applications // Light: Advanced Manufacturing. 2022. V. 3. № 3. P. 525–541. https://doi.org/10.37188/lam.2022.031
  37. Wei X., Liu C., Zhang Z. et al. Orbit angular momentum encoding at 0.3 THz via 3D printed spiral phase plates // Infrared, Millimeter-Wave, and Terahertz Technologies III. SPIE. 2014. V. 9275. P. 260–265. https://doi.org/10.1117/12.2085083
  38. Volyar A., Bretsko M., Akimova Y. et al. Measurement of the vortex spectrum in a vortex-beam array without cuts and gluing of the wavefront // Optics Letters. Optica Publishing Group. 2018. V. 43. № 22. P. 5635–5638. https://doi.org/10.1364/OL.43.005635
  39. Volyar A., Bretsko M., Akimova Y. et al. Measurement of the vortex and orbital angular momentum spectra with a single cylindrical lens // Applied optics. Optica Publishing Group. 2019. V. 58. № 21. P. 5748–5755. https://doi.org/10.1364/AO.58.005748
  40. Воляр А. В., Абрамочкин Е.Г., Егоров Ю.А. и др. Цифровая сортировка пучков Эрмита–Гаусса: анализ спектра мод и топологический заряд возмущённого пучка Лагерра–Гаусса // Компьютерная оптика. 2020. Т. 44. №. 4. С. 501–509. https://doi.org/10.18287/2412-6179-CO-747
  41. Soifer V.A., Golub M.A. Laser beam mode selection by computer generated holograms. Boca Raton: CRC Press, 1994. 78–85 p.
  42. Сисакян И.Н., Голуб М.А., Сойфер В.А. Моданы – новые элементы компьютерной оптики // Компьютерная оптика. 1990. № 08. С. 3–64.
  43. Volodkin B., Choporova Y., Knyazev B. et al. Fabrication and characterization of diffractive phase plates for forming high-power terahertz vortex beams using free electron laser radiation // Opt Quant Electron. 2016. V. 48. № 4. P. 223. https://doi.org/10.1007/s11082-016-0496-z
  44. Осинцева Н.Д., Герасимов В.В., Князев Б.А. и др. Терагерцовые Бесселевы и «совершенные» пучки, созданные бинарным аксиконом и аксиконом с непрерывным рельефом // Компьютерная оптика. 2022. Т. 46. № 3. С. 375–380. https://doi.org/10.18287/2412-6179-CO-1066
  45. Trichili A., Mhlanga T., Ismail Y. et al. Detection of Bessel beams with digital axicons // Opt. Express. 2014. V. 22. № 14. P. 17553. https://doi.org/10.1364/OE.22.017553
  46. Abadi M.M., Cox M.A., Alsaigh R.E. et al. A space division multiplexed free-space-optical communication system that can auto-locate and fully self-align with a remote transceiver // Sci Rep. 2019. V. 9. № 1. P. 19687. https://doi.org/10.1038/s41598-019-55670-1