Генерация векторных оптических вихрей в поляризационном интерферометре Маха–Цендера

Решетников Д.Д., Павелина М.Е., Рыжая А.А., Малютина Е.В., Севрюгин А.А., Вашукевич Е.А., Петров В.М., Венедиктов В.Ю.

Ссылка для цитирования:

Решетников Д.Д., Павелина М.Е., Рыжая А.А., Малютина Е.В., Севрюгин А.А., Вашукевич Е.А., Петров В.М., Венедиктов В.Ю. Генерация векторных оптических вихрей в поляризационном интерферометре Маха–Цендера // Оптический журнал. 2026. Т. 93. № 3. С. 4–14. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-03-4-14

Reshetnikov D.D., Pavelina M.E., Ryzhaya A.A., Malyutina E.V., Sevryugin A.A., Vashukevich E.A., Petrov V.M., Venediktov V.Yu. Generation of vector optical vortices in a Mach–Zehnder polarization interferometer [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2026. V. 93. № 3. P. 4–14. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-03-4-14

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Генерация векторных оптических вихрей в поляризационном интерферометре Маха–Цендера. Цель работы. Разработка методов генерации векторных и скалярных оптических вихрей в модифицированном поляризационном интерферометре Маха–Цендера. Экспериментальное изучение системы поляризационного интерферометра с кубическими уголковыми отражателями, а также теоретическое описание поляризационных преобразований в нем с использованием формализма Джонса. Метод. Для генерации скалярных и векторных оптических вихрей использована модифицированная система поляризационного интерферометра Маха–Цендера. Определение орбитального углового момента оптического вихря проводилось на основе наблюдения картины его интерференции с опорным гауссовым пучком. Основные результаты. Показана возможность формирования скалярных вихрей с орбитальным угловым моментом ±1 и векторных оптических вихрей с осесимметричной поляризационной структурой. Приведено теоретическое описание поляризационных преобразований в схеме интерферометра в формализме Джонса. Практическая значимость. Полученные в поляризационном интерферометре состояния могут использоваться для кодирования информации в задачах квантовой связи, квантовой криптографии, а также в системах спутниковой оптической передачи данных. Конфигурация оптической схемы обладает высокой гибкостью и позволяет формировать вихревые пучки с различными параметрами, что важно для задач высокоскоростных коммуникаций.

Ключевые слова:

структурированное излучение, оптический вихрь, ретрорефлекторы, кубические уголковые отражатели, поляризация излучения, поляризационный интерферометр, аксиально-симметричные поляризационные пучки

Коды OCIS: 110.0110, 260.3160, 3000.30970

Список источников:

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. P. 8185–8189. http://doi.org/10.1103/PhysRevA.45.8185
Soskin M.S., Vasnetsov M.V. Singular optics // Progress in Optics. 2001. V. 42. P. 219–276. http://doi.org/10.1016/S0079-6638(01)80018-4
Zhan Q. Cylindrical vector beams: From mathematical concepts to applications // Adv. Opt. Photon. 2009. V. 1. № 1. P. 1–57. http://doi.org/10.1364/AOP.1.000001
Dorn R., Quabis S., Leuchs G. Sharper focus for a radially polarized light beam // Phys. Rev. Lett. 2003. V. 91. № 23. P. 233901. http://doi.org/10.1103/PhysRevLett.91.233901
Tidwell S.C., Kimura W.D., Robert C.G. Generating radially polarized beams interferometrically // Appl. Opt. 1990. V. 29. № 15. P. 2234–2239. http://doi.org/10.1364/AO.29.002234
Bomzon Z., Kleiner V., Hasman E. Radially and azimuthally polarized beams generated by space-variant dielectric subwavelength gratings // Opt. Lett. 2002. V. 27. № 5. P. 285–287. http://doi.org/10.1364/OL.27.000285
Marrucci L., Manzo C., Paparo D. Optical spin-to-orbital angular momentum conversion in inhomogeneous anisotropic media // Phys. Rev. Lett. 2006. V. 96. № 16. P. 163905. http://doi.org/10.1103/PhysRevLett.96.163905
Wang X.-L., Ding J., Ni W.-J., et al. Generation of arbitrary vector beams with a spatial light modulator and a common path interferometric arrangement // Opt. Lett. 2007. V. 32. № 24. P. 3549–3551. http://doi.org/10.1364/OL.32.003549
Toussaint K.C., Park J., Gil D.J., et al. Polarization-based diffractive optical elements for the generation of vector beams // Opt. Lett. 2005. V. 30. № 21. P. 2846–2848. http://doi.org/10.1364/OL.30.002846
Решетников Д.Д., Рыжая А.А., Павелина М.Е. и др. Интерферометр Маха–Цендера на основе уголковых отражателей и пучки с управляемой поляризационной структурой // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 3. С. 58–67. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-03-58-67

Reshetnikov D.D., Ryzhaya A.A., Pavelina M.E., et al. Mach–Zehnder interferometer based on corner-cube retroreflectors and beams with controlled polarization structure // J. Opt. Technol. 2025. V. 92. № 3. P. 176–182. http://doi.org/10.1364/JOT.92.000176
1. Wang B., Shi J., Zhang T., et al. Improved lateral resolution with an annular vortex depletion beam in STED microscopy // Opt. Lett. 2017. V. 42. № 23. P. 4885–4888. http://doi.org/10.1364/OL.42.004885
2. Man Z., Shi W., Zhang Y., et al. Properties of surface plasmon polaritons excited by generalized cylindrical vector beams // Appl. Phys. B. 2015. V. 119. P. 125–134. http://doi.org/10.1007/s00340-015-6064-6
3. Matsusaka S., Kozawa Y., Sato S. Micro-hole drilling by tightly focused vector beams // Opt. Lett. 2018. V. 43. № 7. P. 1542–1545. http://doi.org/10.1364/OL.43.001542
4. Roxworthy B.J., Toussaint K.C.Jr. Optical trapping with π-phase cylindrical vector beams // New J. Phys. 2010. V. 12. P. 073012. http://doi.org/10.1088/1367-2630/12/7/073012
5. Ren Y., Wang Z., Xie G., et al. Free-space optical communications using orbital-angular-momentum multiplexing combined with MIMO-based spatial multiplexing // Opt. Lett. 2015. V. 40. № 18. P. 4210–4213. https://doi.org/10.1364/OL.40.004210
6. Milione G., Lavery M.P.J., Huang H., et al. 4 × 20 Gbit/s mode division multiplexing over free space using vector modes and a q-plate mode (de)multiplexer // Opt. Lett. 2015. V. 40. № 9. P. 1980–1983. https://doi.org/10.1364/OL.40.001980
7. Ndagano B., Nape I., Cox M.A., et al. Creation and detection of vector vortex modes for classical and quantum communication // J. Lightwave Technol. 2018. V. 36. № 2. P. 292–301. http://doi.org/10.1109/JLT.2017.2766760
8. Parigi V., D'Ambrosio V., Arnold C., et al. Storage and retrieval of vector beams of light in a multiple-degree-of-freedom quantum memory // Nature Commun. 2015. V. 6. P. 7706. http://doi.org/10.1038/ncomms8706
9. Sokolov A.L., Murashkin V.V. Retroreflective spatial-polarization interferometer // Appl. Opt. 2020. V. 59. № 32. P. 9912–9923. http://doi.org/10.1364/AO.403232
10. Nagali E., Sciarrino F. Manipulation of photonic orbital angular momentum for quantum information processing // Advanced Photonic Sci. InTech; 2012. http://doi.org/10.5772/27653
11. Соколов А.Л., Мурашкин В.В. Дифракционные поляризационные оптические элементы с радиальной симметрией // Оптика и спектроскопия. 2011. Т. 111. С. 900–907.Sokolov A.L., Murashkin V.V. Diffraction polarization optical elements with radial symmetry // Opt. Spectrosc. 2011. V. 111. P. 859–865. https://doi.org/10.1134/S0030400X11130212
12. Решетников Д.Д., Соколов А.Л., Вашукевич Е.А., и др. Протокол квантового распределения ключа на аксиально-симметричных поляризационных пучках в атмосферном канале // Изв. вузов. Радиофизика. 2024. Т. 67. № 1. С. 58–72. https://doi.org/10.52452/00213462_2024_67_01_58
Reshetnikov D.D., Sokolov A.L., Vashukevich E.A., et al. Quantum key distribution protocol using axially symmetric polarization beams in an atmospheric channel // Radiophys Quantum El. 2024. V. 67. P. 51–63. http://doi.org/10.1007/s11141-025-10352-z