Исследование систем для определения топологического заряда сингулярных оптических пучков тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Гаврильева Ксения Николаевна

• Гаврильева Ксения Николаевна
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Гаврильева Ксения Николаевна

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Обзор литературы

1.1. Вихри

1.2. Взаимодействие со структурированным светом

1.3. Угловой момент вихря

1.4. Переменные в пространстве поляризованные поля: 32 классические и квантовые перспективы

1.5. Квантовая обработка информации со структурированным 39 светом

1.6. Структурирование света во времени 46 Интерферометры

2.1. Интерферометр сдвига

2.2. Интерферометр циклического сдвига

2.3. Интерферометр вращательного сдвига

2.4. Интерферометр реверсивного сдвига

2.5. Выводы к главе 2 66 Искусственная атмосферная трасса

3.1 Распространение излучения в турбулентной среде

3.2 Схема искусственной атмосферной трассы

3.3. Расширение пучка при распространении через ИАТ

3.4. Выводы к главе 3 80 С ветовозвращающий пространственно-поляризационный

интерферометр

4.1. Поляризационные и векторные вихревые пучки

4.2. Кубические уголковые отражатели

4.3. Экспериментальная установка 90 Заключение 100 Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование систем для определения топологического заряда сингулярных оптических пучков»

Актуальность

Вихревые оптические пучки (оптические вихри) в настоящее время являются как объектом исследования фундаментальной науки (сингулярной оптики или оптики структурированного света), так и важным инструментом современных лазерных технологий. Они используются как «оптические пинцеты», как способ микроманипулирования и вращения микрообъектов, для специальной лазерной обработки поверхностей, как способ генерации поверхностных плазмонов в так называемой плазмонике и во многих других прикладных задачах. В последние годы стала очевидной перспективность их использования в оптической связи - как по специальным многомодовым оптическим волокнам, так и по открытым атмосферным трактам. В этой связи существует ряд не до конца ясных вопросов, связанных как с генерацией вихрей с различными параметрами, так и их приемом и детектированием на большом расстоянии от источника с помощью простых средств, не требующих использования опорных волн или подстройки под конкретный тип вихря.

Основной характеристикой вихревого пучка является орбитальный угловой момент и топологический заряд т. Благодаря орбитальному угловому моменту, который переносит вихревой пучок, могут быть использованы в качестве носителей информации, а также передавать информацию на дальние расстояния. Этот тип оптических вихревых пучков может распространяться через атмосферную среду с турбулентностью, подвергаясь незначительным искажениям волнового фронта. Что, безусловно, является преимуществом их применения. На сегодняшний день оптические вихревые пучки по-прежнему представляют большой интерес, поскольку они играют важную роль в ведущих областях.

Помимо прочего, вихревые пучки обладают значительным потенциалом в качестве генератора лазерного излучения, поскольку с их помощью

возможна компенсация темного распределения интенсивности. Такого рода распределение, также может быть получено путем наложения гауссовского и вихревого пучков. Полученный профиль можно применять как в лазерном оружии, литографии, оптической обработке данных, национальной безопасности, так и хирургической медицине.

Поперечная фаза оптического вихревого пучка обладает азимутальной характеристикой. Обычно, вихри можно наблюдать в качестве параксиальных мод лазера с цилиндрической симметрией и точками ветвления. Если рассматривать вихревые пучки с точки зрения квантовой механики, амплитудная азимутальная фаза волнового фронта такого пучка подводит нас к угловому орбитальному моменту УОМ. Возможно пространственное мультиплексирование и демультиплексирование для нескольких каналов связи так же, как и ортогональные поляризационные состояния. Системы связи имеют несколько способов переноса и передачи данных. Самый важный из них, на сегодняшний день, основан на использовании оптических вихрей. Каждый орбитальный угловой момент имеет свое собственное состояние, равное фазовому заряду оптического вихря. Поскольку нет ограничений на количество уникальных вихревых состояний, это свойство позволяет системам связи создавать неограниченное количество каналов передачи информации.

Степень разработанности темы

На протяжении нескольких десятков лет активно изучались световые поля, структурированные в пространстве и времени пучки и т.д. Исследования в области структурированного света привнести инновации в такие сферы, как передача и транспортировка информации на дальние расстояния, зондирование местности, управление мелкими частицами, их захват и прочее. Также созданы различные устройства, приборы и методы для генерации подобного вида структурированных пучков.

В данной работе проводились испытания с оптическим вихрем с различными топологическими зарядами. Рассмотрены различные методы регистрации и генерации подобного пучка с применением разных вариантов интерферометров. Проведены испытания на стенде для получения информации о структуре вихря после прохождения атмосферной трассы с турбулентностями. Рассмотрена возможность создания простого пространственно-поляризационного световозвращающего интерферометра на основе кубических уголковых отражателей со специальным фазосдвигающим покрытием.

Цель и задачи

Цель работы - изучение новых способов генерации оптических вихрей и их приема и детектирования, в т.ч. на значительном удалении от источника, а также динамики развития вихревого пучка при его распространении.

Объект исследования - структурированный оптический пучок.

Предмет исследования - система генерации и регистрации оптического вихревого пучка, а также методы определения топологического заряда.

Задачи исследования - из цели работы вытекают следующие задачи:

1. Исследование распространения оптического вихревого пучка по атмосферной трассе. Рассмотреть влияние турбулентности на вихревую структуру, проанализировать, а также провести ряд экспериментов направленных на исследование поведения вихря при распространении на дальние дистанции.

2. Изучение различных методов измерения топологического заряда вихревого пучка. В данном случае интерферометры различной конфигурации - циклического сдвига, вращательного сдвига, интерферометр сдвига.

3. Сборка простого световозвращающего пространственно-поляризационного интерферометра на основе отраженных лучей от

комбинации двух кубических уголковых отражателей со специальным фазосдвигающим покрытием. Генерация оптического вихря путем отражения лучей от двух уголковых отражателей, расположенных под углом 90° друг другу.

Теоретическая значимость работы:

Собственно диссертационная работа носила чисто экспериментальный характер, однако она позволила подтвердить несколько положений, рассматривавшихся ранее лишь теоретически, а также прояснить как минимум один дискуссионный вопрос, а именно:

- были подтверждены теоретические оценки расходимости оптических вихревых пучков с большим (до 10) топологическим зарядом;

- была подтверждена возможность применения интерферометров сдвига для измерения топологического заряда вихревого пучка, прошедшего значительное (несколько сотен метров) расстояние по реальной оптической трассе;

- в дискуссию о сохранении структуры вихря или ее разрушении при распространении в свободном пространстве был внесен существенный аргумент в пользу первого предположения (о сохранении структуры);

- подтверждены теоретические предсказания о работе так называемого поляризационного интерферометра, образованного двумя призменными ретрорефлекторами с фазосохраняющими покрытиями на отражательных гранях.

За счет расположения кубических уголковых отражателей под углом 90° друг к другу, между отражателями формируется поляризационно-симметричная структура излучения, отраженного от КУО. Было решено использовать эту функцию для получения устройства, рабочие свойства которого напоминают ротатор (вращатель). После включения в такую систему пучка света с циркулярной поляризацией, на выходе системы мы

получаем оптический вихрь с топологическим зарядом, равным 2. Следующей особенностью такого устройства (вращателя) является возможность получения оптического вихря, который закручивается против часовой стрелки с правосторонней поляризацией или изменяет топологический заряд вихря.

Практическая значимость:

Основные существующие и перспективные области применения оптических вихревых пучков хорошо известны - это перспективные системы оптической связи (как по световодам, так и по открытым атмосферным трактам), а также различного рода микроманипуляторы (оптические пинцеты). Результаты диссертационной работы, связанные с новыми подходами к формированию вихрей и их приему, а также впервые осуществленное реальное распространение вихревых пучков по низкотурбулентной атмосфере, открывают существенные новые возможности в создании систем атмосферной оптической связи и проясняют ряд ранее дискуссионных вопросов - в частности, вопрос о стабильности вихрей с зарядом выше 1. Новый подход к формированию поляризационно неоднородных пучков открывает новые потенциальные возможности для микроманипуляций. Наконец, результаты работы, несомненно, найдут применение в технике формирования и анализа так называемого квантового света - в частности, применительно к задаче генерации и разделения запутанных фотонов, применяемых в квантовой криптографии и квантовой телепортации.

Научная новизна работы:

1. Впервые реализована интерферометрическая диагностика оптических вихрей в циклическом интерферометре сдвига и во вращательном интерферометре сдвига. Впервые получена характерная картина интерференции в виде двух противонаправленных вилок, количество зубцов в которых равно удвоенной величине топологического заряда.

2. Впервые реализовано и исследовано распространение оптических вихревых пучков на расстояние несколько сотен метров в атмосфере практически без турбулентности. Впервые экспериментально подтверждено сохранение топологического заряда более 1 при таком распространении.

3. Впервые реализован в эксперименте поляризационный интерферометр, образованный двумя призменными ретрорефлекторами с фазосохраняющими покрытиями на отражательных гранях. Впервые в таком интерферометре созданы два типа оптических вихревых пучков - векторного оптического вихря с тангенциальным распределением поляризации и скалярного оптического вихря с топологическим зарядом 2 (или - 2).

Методы исследования

Для данных целей использовались и теоретические, и экспериментальные исследования в области сингулярной оптики. Проводились анализ соответствующей литературы, статей, эксперименты для подтверждения теоретических исследований.

Научные положения, вносимые на защиту:

1. Топологический заряд оптического вихря может быть определен интерферометрическим путем без использования дополнительного опорного пучка в интерферометре сдвига. Наиболее удобными являются схемы с относительным поворотом или переворотом сечения двух интерферирующих пучков (интерферометры циклического и вращательного сдвига). На их выходе формируется характерная «вилообразная» картина интерференции, с двумя противоположно направленными вилками, количество зубцов в которых равно удвоенной величине топологического заряда.

2. При распространении оптических вихрей по малотурбулентной атмосфере на расстояние до нескольких сотен метров распада вихрей с

топологическим зарядом больше 1 не происходит, и заряд сохраняется. Расходимость вихревых пучков соответствует теоретическим предсказаниям.

3. Экспериментально показано, что в поляризационном интерферометре, образованном двумя призменными ретрорефлекторами с фазосохраняющими покрытиями на отражательных гранях, возможно контролируемое формирование пучков с переменным по сечению состоянием поляризации. В такой схеме, в частности, возможно формирование векторного оптического вихря с тангенциальным распределением поляризации, а также скалярного оптического вихря с топологическим зарядом 2 (или - 2).

Степень достоверности и апробация результатов

Достоверность научных результатов

Достоверность проводимых исследований подтверждены полученными результатами экспериментальных исследований.

Апробация результатов работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных и российских научных, научно-практических и научно-технических конференциях:

1. Конференция SPIE Фотоника Европы - Международное общество оптической инженерии, Страсбург, 23-26 апреля 2018 г. (Photonics Europe, SPIE, Strasbourg, France, 23-26 April 2018);

2. Конференция SPIE Дистанционное Зондирование -Международное общество оптической инженерии, Берлин, 12-13 сентября 2018 г. (Remote Sensing SPIE - The International Society for Optical Engineering, Berlin, Germany, 12-13 September 2018);

3. Конференция SPIE Фотоника Азии - Международное общество оптической инженерии, Пекин, 11-13 октября 2018 г. (Photonics Asia 2018

SPIE - The International Society for Optical Engineering, Beijing, China, 11-13 October 2018);

4. Конференция SPIE "Технологии и измерения для промышленного применения", Иокогама, 22-26 апреля 2019 г. (2019 Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering. Technology and Measurement for Industrial Applications Conference, Yokohama, Japan 22-26 April 2019);

5. Исследовательский симпозиум по фотонике и электромагнетизму, ПИРС 2021, Ханьхоу, 21-25 ноября 2021. (Photonics and Electromagnetics Research Symposium, PIERS 2021, Hanghou, China, 21-25 November 2021);

6. Конференция SPIE Голография: достижения и современные тенденции VI, Прага, 2019 г. (2019, Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering. Holography: advanced and modern trends VI 2019, Prague, 01-04 April 2019);

7. Конференция SPIE Голография, дифракционная оптика и их приложения IX, Ханьчжоу, 21-23 октября 2019г. (2019, Proceedings of SPIE -The International Society for Optical Engineering. Holography, diffractive optics, and applications IX 2019, Hangzhou, 21-23 October 2019)

Публикации

1. Венедиктов В.Ю., Гаврильева К.Н., Горелая А.В., Севрюгин А.А., Шубенкова Е.В., Дмитриев Д.И., Цветков А.Д. Исследование распространения оптического вихря по укрытой атмосферной трассе // Известия СПбГЭТУ ЛЭТИ. - 2018. - № 6. - С. 82-90.

2. Венедиктов В., Ефремова Е., Гаврильева К., Мермул А, Севрюгин А., , Тоил М., Турсунов И., Шубенкова Е. Обнаружение оптических вихрей с использованием интерферометров циклического, вращательного и реверсивного сдвига // Optics and Laser Technology. - 2019. - Том 113 -- C. 374-378. (Gavrileva K., Mermoul A., Sevruygin A., Shubenkova E., Touil M., Tursunov I., Venediktov V., Efremova E. Detection of optical vortices using

cyclic, rotational and reversal shearing interferometers // Optics and Laser Technology. - 2019. - Том 113 -- C. 374-378.)

3. Венедиктов В.Ю., Гаврильева К.Н., Гудин Ю.С., Ненадович В.Д., Рыжая А.А., Севрюгин А.А., Соколов А.Л., Шалымов Е.В. Поляризованный интерферометр и структурированный свет // Фотоника. - 2022. - Том 16. --№ 3.

4. «Scalar vortex generation using retrorefectors». Gavril'eva, K.N., Sevruygin, A.A., Sokolov, A.L., Shalymov, E.V., Venediktov, V.Yu. 2022 International Conference Laser Optics, ICLO 2022 - Proceedingss, 2022

5. «Vector Vortices Production with the Use of Roof Prisms with Phase-shifting Coating». Gavril'Eva, K.N., Sevryugin, A.A., Shalymov, E.V., Sokolov, A.L., Venediktov, V.Y. Progress in Electromagnetics Research Symposium, 2021, 20-21 November, pp. 2706-2708.

6. «Holographic wavefront sensing and modal decomposition». Gavril'Eva, K.N., Gorelaya, A.V., Fedorov, E.A., Venediktov, D.V., Venediktov, V.Y. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineeringthis link is disabled, 2019, 11188, 111881E

7. «Optical vortices generation by digital «blazed» thin holograms».Gavril'Eva, K.N., Gorelaya, A.V., Sevryugin, A.A., Venediktov, D.V., Venediktov, V.Y. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineeringthis link is disabled, 2019, 11188, 1118813

8. «Reference beam lacking measurement of topological charge of incoming vortex beam». Fedorov, E., Gavril'Eva, K., Gorelaya, A., Venediktov, D., Venediktov, V. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineeringthis link is disabled, 2019, 11030, 1103002

9. Detection of optical vortices using cyclic, rotational and reversal shearing interferometers. Gavril'eva, K.N., Mermoul, A., Sevryugin, A.A., Efremova, E.A.,

Venediktov, V.Y. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineeringthis link is disabled, 2019, 11142, OPTM-P-13

10. Comparative study of holographic, interferometric, and other tools for vortex beam analysis. Gavril'eva, K.N., Mermoul, A., Sevryugin, A.A., Tursunov, I.M., Venediktov, V.Yu. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineeringthis link is disabled, 2018, 10818, 108180X

11. Investigation of optical vortex propagation in the artificial atmospheric path. Gavril'Eva, K., Mermoul, A., Sevruygin, A., Tursunov, I., Venediktov, V. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineeringthis, 2018, 10787, 107870Q

12. Approaches to cross-talk noise reduction in modal holographic wavefront sensors. Gavril'Eva, K., Gorelaya, A., Fedorov, E., Shubenkova, E., Venediktov, V. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineeringthis link is disabled, 2018, 10680, 106802O

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Вихри

Вихри как фазовые сингулярности встречаются во всей волновой физике. Они были впервые идентифицированы Уэвеллом в 1833 году в "приливах", то есть вызванных Луной океанских волнах, опоясывающих земной шар: как ("амфидромные") точки отсутствия прилива, из которых приливные линии (волновые фронты, места, где прилив мгновенно высок) исходят как спицы из колеса [1, 3]. В квантовой механике они были идентифицированы Дираком как исходящие от предполагаемых магнитных монополей, а также как квантованные вихри в сверхтекучих жидкостях и квантованный поток в сверхпроводниках (в волновых функциях многих тел, удовлетворяющих уравнениям, которые не обязательно должны быть линейными), в атомных и молекулярных волновых функциях [5] и в электронных пучках [6], созданных методы, аналогичные оптическим вихревым пучкам.

В оптике они были идентифицированы в свете вблизи границ диэлектрика, вблизи фокусных точек линз с аберрациями, в краевой дифракции и в наложениях плоских волн. В более общем плане, как вездесущие характеристики всех типов волн, они были идентифицированы в 1974 году в исследовании, стимулированном ультразвуком, рассеянным на сморщенной металлической фольге (модель радиоволн, отраженных пересеченной местностью подо льдом, покрывающим Антарктиду) [1]. В оптике вихри начали экспериментально исследоваться в 1990-х годах в структурированном свете, созданном с использованием вилочных голограмм, спиральных фазовых пластин, цилиндрических линз или пространственных модуляторов света [2, 7]. Также в 1990-х годах начались обширные исследования орбитального углового момента света, связанного с пространственной структурой оптических полей [2]. Оптические вихри и орбитальный момент импульса - это разные, но пересекающиеся понятия. В преднамеренно структурированном свете собственные состояния

орбитального углового момента с равномерно возрастающей вращательно-симметричной интенсивностью и азимутальной фазой пронизываются оптическими вихрями по центру. Но в типичных световых пучках, параксиальных или нет, общий орбитальный угловой момент на единицу длины не обязательно должен быть связан с количеством вихрей, пронизывающих луч. В оптике, как и везде, морфология вихревых линий в трех измерениях создает сложные проблемы. В случайных спекл-узорах в 3D кажется, что большинство вихрей замкнуты, и был достигнут некоторый прогресс в понимании распределения длин петель. Более интересной и более сложной является топологическая статистика, включающая вероятности образования узлов и связей в естественных волнах. Специальные суперпозиции более простых мод, таких как пучки Лагерра-Гаусса или Бесселя, действительно содержат узловатые и связанные вихревые петли (рисунок 1.1) [8].

В когерентном свете, представленном в виде сложного скалярного поля в свободном пространстве, оптический вихрь - это область, где фаза не определена: оптические вихри являются фазовыми сингулярностями. Поскольку комплексная амплитуда является однозначной функцией положения, сингулярность может произойти только в том месте, где интенсивность равна нулю (узлы). Такого вида пучки называются вихрями, потому что градиент фазы (локальный волновой вектор, т.е. оптический импульс) циркулирует вокруг точки сингулярности [1, 2].

Рисунок 1.1 - Три оптические вихревые петли, образующие кольца Борромео: несвязанные попарно, но связанные втрое.

Оптические вихри возникают обычно ("в общем виде"), при отсутствии каких-либо особых условий; они являются естественными структурами [3]. Они также возникают в свете, который преднамеренно структурирован, например, в цилиндрических световых пучках с равномерно возрастающей фазой вокруг оси (таких как пучки Лагерра-Гаусса). Вокруг оси таких пучков фаза изменяется на ±2 I для целого числа I (сила вихря). Естественные вихри, такие как на рисунке 1, имеют силу только ±1. При возмущении вихрь более высокого порядка распадается на скопление I типичных вихрей. В двумерной плоскости, такой как экран наблюдения, типичными вихрями являются точки. В трехмерном пространстве они представляют собой линии: темные нити, призрачный скелет типично сложных волновых полей. На оптических вихрях заканчиваются волновые фронты (поверхности с постоянной фазой), что приводит к аналогии с кристаллическими дислокациями, где заканчиваются плоскости атомов: оптические вихри являются волновыми дислокациями [1].

Оптические вихри возникают в сложных скалярных полях, представляющих собой распространяющиеся волны. Их следует отличать от узловых линий (в двумерном пространстве) и поверхностей (в 3D) в вещественных полях, представляющих стоячие волны, такие как резонаторные моды. 'Темные интерференционные полосы' на дифракционных картинах, рассматриваемые в обычной оптике, также являются поверхностями в 3D, но являются приближениями: идеальная деструктивная интерференция обычно возникает только на линиях, которые, конечно же, являются оптическими вихрями.

Рисунок 1.2 - Шесть оптических вихрей в двух квадратных длинах волн естественного волнового поля: суперпозиция из десяти плоских волн со случайными интенсивностями и фазами, с цветовой кодировкой фазы по оттенку и линиями тока (направления локальных волновых векторов),

обозначенных стрелками.

Изучение оптических вихрей является частью сингулярной оптики [4]. На более простом уровне геометрической оптики, в которой свет представлен полями лучей (которые пренебрегают фазой световых волн), особенности различны: они являются каустиками, то есть яркими поверхностями в пространстве, на которых фокусируется свет. Их типичные структуры классифицируются в соответствии с теорией катастроф. Каустики и оптические вихри являются взаимодополняющими особенностями: каустики являются заметными объектами высокой интенсивности, в отличие от вихрей, где происходит полная разрушительная интерференция, расположенных в областях низкой интенсивности. И на более глубоком уровне, где свет представлен электромагнитными векторными полями, особенности различаются: например, линии, на которых поляризация является чисто круговой или чисто линейной (и обычно различается для электрического и магнитного полей) [3].

Существует несколько способов, которыми теория оптических вихрей и структурированный свет в более общем плане пересекаются с теорией и формализмом квантовых слабых измерений. Продольные и поперечные сдвиги в положении и направлении света, отраженного от диэлектрических границ раздела, были интерпретированы таким образом, что привело к предсказаниям новых эффектов, еще не наблюдавшихся, в пучках, содержащих вихри, а также в тех, которые их не имеют.

Большие локальные волновые векторы (фазовые градиенты) вблизи оптических вихрей квантово-механически соответствуют большим импульсам. Предполагается, что они придают атомам в поле большие, хотя и редкие, «суперудары». Эта квантовая деконструкция классического радиационного давления (картина фотонов в среднем) на большие редкие события вблизи вихрей также еще не наблюдалась.

Другой квантовый эффект, оказываемый на возбужденные атомы вблизи вихрей, заключается в том, что их темная зона может быть слабо освещена

спонтанным излучением в незаселенные вакуумные состояния. На сегодняшний день размер соответствующего квантового ядра был рассчитан лишь теоретически, практически наблюдать данный эффект не представляется возможным. Аналогичный эффект вблизи особенностей поляризации векторных волн только предстоит исследовать.

Как естественные свойства волновой интерференции, оптические вихри присущи всему достаточно сложному структурированному свету, и их существование и свойства в различных оптических явлениях лежат в основе физического понимания пространственных интерференционных картин.

Взаимодополняемость между вихрями как фазовыми сингулярностями и каустиками как сингулярностями лучей отражает разницу между тьмой и светом, и то и другое переплетается в естественном и искусственно структурированном свете. Как уже обсуждалось, существует множество действующих и потенциальных применений оптических вихрей, как в качестве узлов интенсивности, так и в качестве фазовых особенностей.

Будучи объектами чисто классического, монохроматического света, нет прямой связи между оптическими вихрями и свойствами фотонов. Квантовые состояния света, полученные в простых режимах переноса вихрей, таких как пучки Лагерра-Гаусса, несут квантованный орбитальный угловой момент в единицах Ь, и квантовый вакуум может просвечивать в 'квантовых ядрах' оптических вихрей [2].

Многообещающим применением является вихревой коронограф, в котором оптический элемент, состоящий из фазового вихря четного порядка, рассеивает свет от родительской звезды, изображенной на оси, позволяя наблюдать ее гораздо более слабую планету [9]. В основе этой техники лежит удивительная новая математика.

Применение, которое уже существует, но которое, несомненно, будет развиваться в дальнейшем, происходит в микроскопии сверхразрешения со стимулированным истощением излучения (STED) [10]. Почти весь

традиционно ограниченный дифракцией свет, излучаемый образцом, подавляется вторым освещающим лучом; он содержит узловую точку (оптический вихрь), позволяющую наблюдать небольшие области изображения. Не смотря на то, что классическая оптика ограничивает малость ярких (например, фокальных) областей, можно успешно пользоваться данным методом, так как темные области могут быть сколь угодно малы.

1.2. Взаимодействие со структурированным светом

Всякое взаимодействие света и материи в принципе способно выявить фундаментальные свойства того или иного компонента. На начальном этапе развития световых лучей с внутренней структурой (в отличие от проецируемого освещения) существовали некоторые ожидания, что соответствующим образом структурированный свет может привести к принципиально новым видам связи с материей, раскрывая другие механизмы и сигнализируя о новых возможностях для молекулярной спектроскопии и зондирования. Хотя многие из этих ожиданий теперь отошли на второй план — в основном на том основании, что такие эффекты оказались слишком тонкими и слишком малыми, чтобы их можно было использовать в экспериментах, — исследование множества других взаимодействий с материей оказалось удивительно плодотворным.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Гаврильева Ксения Николаевна, 2023 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Nye J F & Berry M V, 1974, Dislocations in wave trains Proc. Roy. Soc. Lond. A336, 165-90

2. Dennis M R, O'Holleran, K & Padgett, M J, 2009, Singular Optics: Optical Vortices and Polarization Singularities Progress in Optics 53, 293-363

3. Nye J F, 1999, Natural focusing and fine structure of light: Caustics and wave dislocations (Institute of Physics Publishing, Bristol)

4. Berry M V, 2000, Making waves in physics: three wave singularities from the miraculous 1830s Nature 403, 21

5. Hirschfelder J O, Goebel C G & Bruch LW, 1974, Quantized vortices around wavefunction nodes J. Chem. Phys. 61, 5456-5459

6. Verbeeck, J, Tian H & Schattschneider P, 2010, Production and application of electron vortex beams Nature 467, 301-304

7. Soskin M S & Vasnetsov, M V , 2001, Singular Optics Progress in Optics 42, 219-276

8. Dennis M R, King R P, Jack B , O'Holleran K & Padgett M J, 2010, Isolated optical vortex knots Nature Physics 6, 118-121

9. Foo G, Palacios DM & Swartzlander G A Jr, 2005, Optical Vortex Coronagraph Opt. Lett. 30, 3308-3310

10. Klar A, Jakobs S, Dyba M, Egner A & Hell S W, 2000, Fluorescence microscopy with diffraction resolution barrier broken by stimulated emission PNAS 97, 8206-8210.

11. D. S. Bradshaw, J. M. Leeder, M. M. Coles and D. L. Andrews, Signatures of material and optical chirality: Origins and measures, Chem. Phys. Lett. 626 (2015) 106-110.

12. Y. Q. Tang and A. E. Cohen, Optical Chirality and Its Interaction with Matter, Phys. Rev. Lett. 104 (2010) 163901.

13. C. Maurer, A. Jesacher, S. Furhapter, S. Bernet and M. Ritsch-Marte, Tailoring of arbitrary optical vector beams, New J. Phys. 9 (2007) 78.

14. M. P. Lee, A. Curran, G. M. Gibson, M. Tassieri, N. R. Heckenberg and M. J. Padgett, Optical shield: measuring viscosity of turbid fluids using optical tweezers, Optics Express 20 (2012) 12127-12132.

15. G. Xie, L. Li, Y. Ren, H. Huang, Y. Yan, N. Ahmed, Z. Zhao, M. P. J. Lavery, N. Ashrafi, S. Ashrafi, R. Bock. M. Tur, A. F. Molisch and A. E. Willner, Performance metrics and design considerations for a free-space optical orbital-angular-momentum-multiplexed communication link, Optica 2 (2015) 357-365.

16. K. Y. Bliokh and F. Nori, Transverse and longitudinal angular momenta of light, Phys. Reports 592 (2015) 1-38.

17. M. Andersson, E. Berglind and G. Bjork, Orbital angular momentum modes do not increase the channel capacity in communication links, New J. Phys. 17 (2015) 043040.

18. M. M. Coles, M. D. Williams, K. Saadi, D. S. Bradshaw and D.L. Andrews, Chiral nanoemitter array: A launchpad for optical vortices, Laser Photonics Rev. 7 (2013) 1088-1092.

19. E. Karimi, S. A. Schulz, I. De Leon, H. Qassim, J. Upham and R. W. Boyd, Generating optical orbital angular momentum at visible wavelengths using a plasmonic metasurface. Light: Science & Applications, 3 (2014) e167.

20. A. B. Schmidt, D. L. Andrews, A. Rohrbach, C. Gohn-Kreuz, V. Shatokhin, V. G. Kiselev, J. Hennig, D. von Elverfeldt and J.-B. Hovener, Do twisted laser beams evoke nuclear hyperpolarization? (under review)

21. L. Allen, S.M. Barnett, and M.J. Padgett, Optical Angular Momentum, Institute of Physics Publishing, Bristol, U.K. (2003).

22. L. Allen, M.W. Beijersbergen, R.J.C. Spreeuw, and J.P. Woerdman, Phys. Rev. A 45, 8185 (1992).

23. N.B. Simpson, K. Dholakia, L. Allen and M.J. Padgett, Opt. Lett. 22, 52 (1997).

24. M. Mansuripur, "Angular momentum of circularly polarized light in dielectric media," Optics Express, 13, 5315-24 (2005).

25. M. Mansuripur, "Electromagnetic force and torque in ponderable media," Optics Express 16, 14821-35 (2008).

26. S.M. Barnett, "Rotation of electromagnetic fields and the nature of optical angular momentum," J. Mod. Opt. 57, 1339-1343 (2010).

27. M. Mansuripur, A.R. Zakharian, and E.M. Wright, "Spin and orbital angular momenta of light reflected from a cone," Phys. Rev. A 84, 033813, pp1-12 (2011).

28. M. Mansuripur, "Spin and orbital angular momenta of electromagnetic waves in free space," Phys. Rev. A 84, 033838, pp1-6 (2011).

29. M.V. Berry, M.R. Jeffrey, and M. Mansuripur, "Orbital and spin angular momentum in conical diffraction," J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 7, 685-690 (2005).

30. J.D. Jackson, Classical Electrodynamics, 3rd edition, Wiley, New York (1999).

31. M. Mansuripur, "Energy and linear and angular momenta in simple electromagnetic systems," Optical Trapping and Optical Micromanipulation XII, edited by K. Dholakia and G.C. Spalding, Proc. of SPIE Vol. 9548, 95480K~1:24 (2015).

32. M. Kristensen and J.P. Woerdman, "Is photon angular momentum conserved in a dielectric medium?" Phys. Rev. Lett. 72, 2171-2174 (1994).

33. M. Mansuripur, "The charge-magnet paradoxes of classical electrodynamics," Spintronics VII, edited by H.J. Drouhin, J.E. Wegrowe, and M. Razeghi, Proc. of SPIE Vol. 9167, 91670J~1:12 (2014).

34. M.J. Padgett, "The mechanism for energy transfer in the rotational frequency shift of a light beam," J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 6, S263-S265 (2004).

35. M. Mansuripur, "Angular momentum exchange between light and material media deduced from the Doppler shift," Optical Trapping and Optical Micromanipulation IX, edited by K. Dholakia and G.C. Spalding, Proc. of SPIE Vol. 8458, 845805~1:8 (2012).

36. Dorn R, Quabis S and Leuchs G 2003 Sharper focus for a radially polarized light beam Phys. Rev. Lett. 91 233901

37. Zhan Q 2009 Cylindrical vector beams: from mathematical concepts to applications Adv. Opt. Photon. 1 1-57

38. D'Ambrosio V, Nagali E, Walborn S P, Aolita L, Slussarenko S, Marrucci L and Sciarrino F 2012 Complete experimental toolbox for alignment-free quantum communication Nat. Commun. 3, 961

39. Beckley A M, Brown T G, and Alonso M A 2010 Full Poincare beams Opt. Express 18 10777-10785

40. Dennis M R, O'Holleran K, and Padgett M J 2009 Optical vortices and polarization singularities Prog. Opt. 53 293-363

41. Karimi E et al. 2010 Spin-orbit hybrid entanglement of photons and quantum contextuality Phys. Rev. A 82 022115

42. Freund I 2005 Cones, spirals, and Möbius strips, in elliptically polarized light Opt. Commun. 249 7-22.

43. Bauer T et al. 2015 Observation of optical polarization Möbius strips Science 347 964-966

44. Galvez E J, Khadka S, Schubert W H, and Nomoto S 2012 Poincare-beam patterns produced by nonseparable superpositions of Laguerre-Gauss and polarization modes of light Appl. Opt. 51 2925-2934

45. Cardano F et al. 2012 Polarization pattern of vector vortex beams generated by q-plates with different topological charges Appl. Opt. 51 C1-C6

46. Wang XL, Cai XD, Su ZE, Chen MC, Wu D, Li L, et al. 2015 Nature 518, 516-519

47. Ramachandran S, Fini JM, Mermelstein M, Nicholson JW, Ghalmi S, and Ya MF, 2008 Laser and Photonics Reviews 2, 429-448

48. Brennen GK, Bullock SS and O'Leary DP 2006 Journal of Quantum Information and Computation 6, 436-454

49. Nielsen MA and Chuang I 2000 Quantum Computation and Quantum Information, Cambridge University Press

50. Menicucci NC, van Loock P, Gu M, Weedbrook C, Ralph TC and Nielsen M 2006 Physical Review Letters 97, 110501

51. Bunning TJ, Natarajan LV, Tondiglia VP, and Sutherland RL, 2000 Annual Review of Materials Science 30, 83-115

52. Langford NK, Dalton RB, Harvey MD, O'Brien JL, Pryde GK, Gilchrist A et al, 2004 Physical Review Letters 93, 053601

53. Campbell E, Hussain A, and Browne D 2012 Physical Review X 2, 041021; Brown K, Munro WJ and Kendon V 2010 Entropy 12, 2268-2307

54. Javadi A, Sölner I, Arcari M, Lindskov Hansen S, Midolo L, Mahmodian S et al., 2015 Nature Communications 8655

55. A. M. Weiner, "Femtosecond pulse shaping using spatial light modulators," Rev. Sci. Instr., vol. 71, pp. 1929-1960, 2000.

56. A. M. Weiner, "Ultrafast optical pulse shaping: A tutorial review," Optics Communications, vol. 284, pp. 3669-3692, 2011.

57. https://www.finisar.com/optical-instrumentation

58. J. Ye and S. T. Cundiff, Femtosecond optical frequency comb technology: Springer, 2005.

59. Z. Jiang, C. B. Huang, D. E. Leaird, and A. M. Weiner, "Optical arbitrary waveform processing of more than 100 spectral comb lines," Nature Photonics, vol. 1, pp. 463-467, 2007.

60. S. T. Cundiff and A. M. Weiner, "Optical Arbitrary Waveform Generation," Nature Photonics, vol. 4, pp. 760-766, 2010.

61. N. K. Fontaine, R. P. Scott, C. X. Yang, D. J. Geisler, J. P. Heritage, K. Okamoto, et al., "Compact 10 GHz loopback arrayed-waveguide grating for high-fidelity optical arbitrary waveform generation," Optics Letters, vol. 33, pp. 17141716, 2008.

62. T. J. Kippenberg, R. Holzwarth, and S. A. Diddams, "Microresonator-Based Optical Frequency Combs," Science, vol. 332, pp. 555-559, 2011.

63. A.J. Metcalf, D.E. Leaird, J. Jaramillo, V. Lal, A. Hosseini, F. Kish, and A.M. Weiner, "32 channel, 25 GHz InP integrated pulse shaper with SOA amplitude control." In IEEE Photonics Conference (IPC), 2015 (pp. 500-501).

64. V. R. Supradeepa, C. B. Huang, D. E. Leaird, and A. M. Weiner, "Femtosecond pulse shaping in two dimensions: Towards higher complexity optical waveforms," Optics Express, vol. 16, pp. 11878-11887, 2008.

656 M.J. Padgett. Orbital angular momentum 25 years on // Opt. Express. -2017. - V. 25. - № 10. - C. 11265-11275.

66. T.D. Henning. A Cyclic Shearing Interferometer for Collimating Beams with Short Coherence // Montana State University. - 1991.

67. S. Vyas, P. Senthilkumaran, Interferometric optical vortex array generator // Appl. Opt. - 2007. - V. 46. - № 20.

68. L. Allen, S.M. Barnett, M.J. Padgett. Optical Angular Momentum // Institute of Physics Publishing. - Bristol. - 2003.

69. D.P. Ghai, S. Vyas, P. Senthilkumaran, R.S. Sirohi. Detection of phase singularity using a lateral shear interferometer // Opt. Lasers Eng. - 2008. - Т. 46. - С. 419-423.

70. D.P. Ghai, S. Vyas, P. Senthilkumaran, R.S. Sirohi. Shearograms of singular beams using wedge plate lateral shear interferometer // Opt. Lasers Eng. -2008. - Т. 46. - С. 797-801.

71. C. Roddier, F. Roddier, J. Demarcq. Compact rotational shearing interferometer for astronomical application // Opt. Eng. - 1989. - Т.28. - С. 6670.

72. F. Roddier, C. Roddier, J. Demarcq. A rotational shearing interferometer with phase-compensated roof-prisms // J. Opt. (Paris). - 1978. - Т. 9 (3). - С. 145149.

73. Лукьянов, Д.П.. Оптические адаптивные системы. / Д.П. Лукьянов, А.А. Корниенко, Б.Е. Рудницкий. - М.: Радио и связь,1989. - 238 с.

74. В.Ю. Венедиктов, Д.В. Венедиктов, А.В. Горелая и др. Исследование распространения и адаптивно-оптической коррекции лазерного пучка на изолированной от внешнего воздействия атмосферной трассе // Оптика атмосферы и океана. - 2016. - Вып. 29. - № 11. - С. 942-944.

75. Karimi, E., Boyd, R. W. Classical entanglement // Science. - 2015. - Т. 350. - С. 1172-1173.

76. Zhang, L. G. Deflection of a reflected intense vortex laser beam// Physical Review Letters.2016 (11) p.117.

77. Ghai, D. P., Senthilkumaran, P.Sirohi, Single-slit diffraction of an optical beam with phase singularity // Opt. Lasers Eng. 2009(47), P-p. 123-126.

78. M. A. Sadovnikov and A. L. Sokolov, "Spatial polarization structure of radiation formed by a retroreflector with nonmetalized faces," Opt. Spectrosc. 107, pp. 201-206 (2009).

79. M. R. Dennis, K. O'Holleran, and M. J. Padgett, "Singular optics: optical vortices and polarization singularities," Prog. Opt. 53, 293-363 (2009).

80. Detection of optical vortices using cyclic, rotational and reversal shearing interferometers. Gavril'eva, K.N., Mermoul, A., Sevryugin, A.A., Efremova, E.A., Venediktov, V.Y. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineeringthis link is disabled, 2019, 11142, OPTM-P-13.

81. Венедиктов В.Ю., Гаврильева К.Н., Горелая А.В., Севрюгин А.А., Шубенкова Е.В., Дмитриев Д.И., Цветков А.Д. Исследование распространения оптического вихря по укрытой атмосферной трассе // Известия СПбГЭТУ ЛЭТИ. - 2018. - № 6. - С. 82-90.

82. Венедиктов В.Ю., Гаврильева К.Н., Гудин Ю.С., Ненадович В.Д., Рыжая А.А., Севрюгин А.А., Соколов А.Л., Шалымов Е.В. Поляризованный интерферометр и структурированный свет // Фотоника. - 2022. - Том 16. --№ 3.