Пространственно-временная динамика распространения терагерцовых бессель-гауссовых и вихревых пучков сверхкороткой длительности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат наук Семёнова, Варвара Александровна

• Семёнова, Варвара Александровна
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Семёнова, Варвара Александровна

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Глава 1. Терагерцовые технологии

1.1. Терагерцовый диапазон частот

1.2. Терагерцовая спектроскопия с разрешением во времени

1.3. Терагерцовые системы связи

Выводы

Глава 2. Методы исследований

2.1. Математическая модель

2.2. Импульсная терагерцовая голография с разрешением во времени

Глава 3. Бессель-гауссовы пучки

3.1 Введение

3.2 Бессель-гауссовы пучки широкополосного ТГц излучения

3.3 Численное исследование пространственно-спектральных и пространственно-временных характеристик широкополосного терагерцового пучка Бесселя-Гаусса

3.4 Экспериментальное исследование пространственно-временных характеристик широкополосного терагерцового пучка Бесселя-Гаусса

Выводы

Глава 4. Вихревые пучки

4.1. Оптические вихри и пучки с орбитальным угловым моментом

4.2 Вихревые пучки с низкой пространственной и временной когерентностью

4.3 Оптические вихри в терагерцовом диапазоне частот

4.4 Методы определения топологического заряда вихревых пучков

4.5 Исследование импульсного терагерцового вихревого пучка, генерируемого с помощью спиральной фазовой пластины

4.6 Дисперсия топологического заряда терагерцового вихревого пучка

4.7 Измерение спектра топологического заряда на основе пространственных

распределений фазы

4.8 Выводы

4.9 Самовосстановление топологического заряда вихревого пучка

4.10 Широкополосный терагерцовый вихрь с однородным топологическим спектром

4.11 Исследование дифракции широкополосного терагерцового вихря на непрозрачном экране

Выводы

Заключение

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Пространственно-временная динамика распространения терагерцовых бессель-гауссовых и вихревых пучков сверхкороткой длительности»

ВВЕДЕНИЕ

Технологии, основанные на применении широкополосного

терагерцового (0.1-10 ТГц) излучения [1], являются сегодня важным инструментом для многих практических приложений, таких как неинвазивные методы диагностики и контроля в индустрии, медицине и биологии, обнаружении взрывчатых веществ. В последнее десятилетие активно исследуется еще одно масштабное приложение, основанное на применении ТГц диапазона частот, -терагерцовые коммуникации [2]. Емкость канала связи определяется значением несущей частоты канала связи, частотой следования импульсов и шириной спектра: чем выше несущая частота, частота следования и шире спектр излучения, тем больший объем данных может быть передан по каналу. Представляется перспективным использовать широкополосное ТГц излучение для создания систем передачи данных нового поколения, поскольку оно обладает одновременно более высокими значениями несущих частот, сверхшироким спектром и высокой частотой следования импульсов в случае импульсного сигнала [3]. Однако, поскольку исследованиям по импульсной ТГц связи посвящено лишь небольшое количество работ, даже основополагающие аспекты данной области пока не проработаны.

Применение широкополосного ТГц излучения в задачах связи ограничено из-за того, что компактные источники ТГц излучения ограничены по мощности, а более мощные являются слишком громоздкими для применения кроме как для лабораторных исследований. Однако активно ведущаяся работа над созданием более мощных компактных источников импульсного ТГц излучения позволяет предположить, что это ограничение может быть преодолено [4-5]. Вторым фактором, ограничивающим применение широкополосного ТГц излучения является шум, возникающий из-за молекулярного поглощения (в основном молекулами воды) при распространении в атмосфере. Неоднородности распределения молекул в атмосфере вносят искажения в передаваемый сигнал. Кроме того, терагерцовое излучение чувствительно к динамическим и статическим

помехам, таким как металлосодержащие и другие непрозрачные преграды, блокирующие канал передачи. Возможным способом решения данной проблемы является, наряду с созданием компактных и достаточно мощных когерентных источников ТГц излучения, повышение помехоустойчивости и минимизация дифракции излучения, которые могут быть достигнуты за счет использования пучков с особой пространственной структурой [6], таких как бесель-гауссовы и вихревые пучки, обладающие орбитальным угловым моментом (ОУМ) [7].

Бесселевы пучки известны рядом особых свойств, а именно - способностью формировать узкий протяженный максимум интенсивности излучения вдоль оптической оси, малой дифракционной расходимостью центрального максимума (по сравнению, например, с гауссовым пучком) и свойствами самовосстановления. Бесселевы пучки монохроматического излучения различных диапазонов частот (в том числе ТГц диапазоне) исследовались многими научными группами, и применяются в оптической когерентной томографии, контроле микро- и наночастиц, высокоточной обработке материалов и трехмерной визуализации.

Устойчивость к дифракционному расплыванию бессель-гауссовых пучков представляется еще более полезной в случае импульсного излучения, для которого необходим контроль как пространственных, так и временных характеристик. Однако, для эффективного применения бесселевых пучков импульсного ТГц излучения для практических целей необходимо исследовать процессы формирования и распространения таких пучков, с учетом влияния широкополосного спектра.

Другим видом структурированных оптических полей с огромным потенциалом для практических приложений являются вихревые пучки. На сегодняшний оптические вихри используются для манипулирования микрочастицами, для повышения контраста изображений в микроскопии, для задач метрологии, и в особенности, для увеличения плотности передачи данных в системах оптической связи [8]. В ходе ряда экспериментов была продемонстрирована возможность создания вихревых пучков в видимом, миллиметровом, УФ, радио, а также в ТГц диапазоне частот.

В терагерцовом диапазоне частот были получены и исследованы монохроматические вихревые пучки, в том числе показаны возможности их применения для мультиплексирования терагерцовых каналов связи на одной несущей частоте [9]. Недавние исследования показали также возможность генерации широкополосных терагерцовый вихрей с постоянным топологическим зарядом для широкого диапазона спектра. Предполагается, что широкополосные ТГц вихри могут быть использованы для достижения сверхразрешения в терагерцовой визуализации объектов, а также для увеличения емкости каналов беспроводной широкополосной импульсной терагерцовой связи. Однако, ключевые для реальных приложений свойства широкополосных ТГц вихрей, такие как изменения их пространственно-спектральной структуры под воздействием дифракции, локализация сингулярности (или сингулярностей в случае вихрей высшего порядка) в зависимости от частоты и расстояния распространения на сегодняшний день еще не были исследованы.

На момент начала настоящей работы только начинались исследования, связанные с формированием пучков широкополосного ТГц излучения со структурированным пространственным распределением амплитуды и фазы, которые активно велись для других частотных диапазонов. Позднее, идея использования сверхширокого ТГц диапазона для ряда новых приложений, таких как ТГц системы связи, повлекла за собой исследования по возможности создания и применения широкополосных бесселевых и вихревых пучков ТГц излучения. В связи с развитием техник получения полной информации о структуре и динамике ТГц полей, с одной стороны, стала актуальной задача исследовать более глубоко особенности эволюции структурированных пучков широкополосного ТГц излучения, и, с другой стороны, выработать новые подходы и критерии оценки свойств данных пучков.

Цель работы состояла в исследовании пространственно-временной и пространственно-спектральной динамики двух типов пучков с особой

пространственной структурой: импульсного широкополосного вихревого ТГц пучка и пучка Бесселя-Гаусса.

Для достижения цели решались следующие задачи:

1. Проведение модельного эксперимента для наблюдения и анализа взаимосвязи пространственных и временных параметров однопериодного ТГц импульса Бесселя-Гаусса, особенностей его динамики, а также определение расстояния распространения такого пучка с ограниченной дифракцией.

2. Подготовка и проведение эксперимента по генерации и детектированию пространственно-временной формы широкополосного импульсного вихревого пучка.

3. Разработка метода определения спектра топологического заряда вихревого пучка, состоящего из спектральных компонент с различным топологическим зарядом.

4. Разработка и проведение модельного эксперимента для исследования трансформаций сингулярной структуры при дифракции широкополосного ТГц вихря на краю непрозрачного экрана, а также исследования свойств устойчивости сингулярной структуры пучка при дифракции на краю непрозрачного экрана.

Методы исследования:

Численные расчеты динамики распространения структурированных пучков широкополосного ТГц излучения выполнялись на основе математического аппарата скалярной теории дифракции. Для проведения натуральных экспериментов в данной работе применялись апробированные методы импульсной терагерцовой голографии с разрешением во времени.

Защищаемые положения:

1. Показано, что при прохождении формируемого фемтосекундными лазерными импульсами широкополосного ( 0,1-2,5 ТГц ) терагерцового пучка через аксикон формируется бессель-гауссов пучок, для которого длина распространения с ограниченной дифракцией составляет до 25 мм для пучка диаметром 20 мм и аксикона с углом 43° и величиной показателя преломления п = 1,46±0,01 в диапазоне частот 0,1-2,5 ТГц.

2. Пространственно-временные и пространственно-спектральные характеристики терагерцового импульсного пучка Бесселя-Гаусса в процессе распространения приводят к формированию Х-образной пространственно-временной структуры, при которой наблюдается перекачка энергии импульса из переднего фронта импульса в задний, а также инверсия волнового фронта.

3. Предложен метод определения спектра топологического заряда вихревого пучка, состоящего из спектральных компонент с различным топологическим зарядом, на основе анализа топологии спектрально-разрешенных пространственных распределений фазы. Проведена экспериментальная верификация метода.

4. Показано, что широкополосные (0,1 - 3 ТГц ) терагерцовые вихревые пучки, формируемые фемтосекундными лазерными импульсами, обладающие единичным топологическим зарядом на каждой спектральной компоненте, проявляют свойства самовосстановления при диафрагмировании половины поперечного размера пучка амплитудным экраном, заключающиеся в восстановлении вихревой фазы на каждой частотной компоненте и локализации нулей амплитуды.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

- исследована пространственно-временная и пространственно-спектральная динамика распространения пучка Бесселя-Гаусса в диапазоне частот 0.1 - 2.5 ТГц, формируемого при дифракции однопериодного ТГц импульса на аксиконе.

- выявлены перекачка энергии в широкополосном ТГц импульсе Бесселя-Гаусса с Х-образной пространственно-временной формой из переднего фронта импульса в задний, а также инверсия волнового фронта.

- разработан метод определения спектра топологического заряда вихревого пучка, состоящего из спектральных компонент с различным топологическим зарядом. Впервые экспериментально и в моделировании получен спектр топологического заряда импульсного вихревого пучка, генерируемый с помощью спиральной фазовой пластины.

- показаны трансформации и локализации сингулярной структуры широкополосного импульсного ТГц вихря в зависимости от частоты и расстояния распространения при дифракции ТГц вихря на краю непрозрачного экрана.

- исследованы свойства самовосстановления сфокусированных широкополосных ( 0.1 - 4 ТГц ) вихревых пучков, формируемых фемтосекундными лазерными импульсами, при их диафрагмировании непрозрачным амплитудным экраном, сформулированы критерии оценки свойств самовосстановления и определены характерные расстояния, на которых проявляются данные свойства.

Достоверность полученных результатов обоснована тем, что используемые методы численного расчета распространения волнового фронта терагерцовых импульсов были многократно апробированы экспериментально для случая однопериодных терагерцовых импульсов, а также полученными в ходе работы экспериментальными данными.

Практическая ценность заключается в том, что:

Определенные в ходе исследований взаимосвязь пространственных и временных характеристик широкополосных ТГц пучков Бесселя-Гаусса, а также характерные длины распространения таких пучков с ограниченной дифракцией будут востребованы для приложений, связанных с контролем пространственно-временной формы импульсов, например, для задач минимизации рассеяния энергии в широкополосных системах ТГц связи ближнего поля и повышения контраста в системах ТГц визуализации. Сформулированные на основании проведенной работы критерии самовосстановления для случая импульсного широкополосного ТГц вихревого пучка будут востребованы в дальнейших исследованиях по широкополосной ТГц связи. Исследования особенностей локализации сингулярностей при диафрагмировании вихревых пучков имеют практическое значение для задач коррекции фазы в терагерцовой голографии.

Апробация работы:

Результаты работы были представлены: на международной научной конференции "Цифровая сингулярная оптика: Приложения и Основы" (Севастополь, 2018); на международной научной конференции "Progress In Electromagnetics Research Symposium, PIERS 2017" (Санкт-Петербург, 2017) ; на международной научной конференции "Photonics Prague" (Прага, 2017); на международной научной конференции IRMMW-THz 2016: "41st International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (Копенгаген, 2016)"; на международной научной конференции "17th International Conference Laser Optics " (Санкт-Петербург, 2016); на международной научной конференции OPTIC "Optics&Photonics Taiwan International Conference " (Тайвань, 2015), на международной научной конференции Оптика-2015: "IX Международная конференция молодых ученых и специалистов" (Санкт-Петербург, 2015).

Публикации:

По материалам диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 4 в изданиях списка ВАК.

Структура и объем диссертации:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации 107 страниц, включая библиографию из 102 наименований. Работа содержит 49 рисунков, размещенных внутри глав.

Во введении: обосновывается актуальность работы, сформулированы ее цель, задачи, перечислены научные положения, выносимые на защиту, определена структура работы.

В первой главе: приведен обзор известных методов формирования изображения с использованием импульсного терагерцового излучения.

Во второй главе: описаны методы численных и экспериментальных исследований, применяемые работе.

В третьей главе: численно исследуется процесс эволюции широкополосного ТГц импульса Бесселя-Гаусса и особенности его фазовой скорости.

В четвертой главе: в модельном экспериенте исследуется дифракция широкополосного ТГц вихревого пучка на краю непрозрачного экрана.

В заключении: сформулированы основные результаты и выводы по работе.

ГЛАВА 1. ТЕРАГЕРЦОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 1.1. Терагерцовый диапазон частот

Терагерцовый излучением называют область электромагнитного спектра, располагающуюся между миллиметровым и инфракрасным диапазоном (Рисунок 1), которая чаще всего в литературе определяется как диапазон от 0.1 до 10 терагерц (ТГц) [10].

Рисунок 1.1 Местоположение ТГц диапазона в электромагнитном спектре.

К сегодняшнему дню разработаны методы генерации и детектирования как импульсного, так и непрерывного узкополосного ТГц излучения, подробно эти методы описаны в ряде работ [10], [11], [12]. Однако наибольшее распространение получили импульсные источники ТГц излучения, в которых генерация ТГц излучения производится либо за счет оптического выпрямления фемтосекундных лазерных импульсов в нелинейных кристаллах [13], либо за счет облучения фотопроводящих антенн [14].

Особенность терагерцовых импульсов состоит в том, что на практике возможно получить однопериодные и даже субпериодные ТГц импульсы, которые при этом обладают достаточно большой длительностью (по сравнению с фемтосекундными импульсами, которые используются для их генерации). Данная особенность с одной стороны позволяет наблюдать на примере ТГц импульсов многие явления, характерные для импульсов, состоящих из нескольких колебаний поля, а с другой стороны позволяет детектировать временную форму ТГц импульса

за счет его стробирования более короткими фемтосекундными импульсами. Кроме того, за счет возможности реализации техники когерентного детектирования, регистрируется как амплитуда, так и фаза излучения. Исследования распространения и дифракции ТГц импульсов привело к обнаружению ряда интересных феноменов, таких как изменение формы импульса, спектральный сдвиг, сдвиг фазы Гои, сверхсветовые эффекты [15]. Было показано, что при распространении ТГц импульсов длительность в несколько колебаний поля проявляются эффекты пространственно-временной связи [16].

Появление ТГц технологий дало мощный импульс развитию многих других областей исследования, таких как ультрабыстрая спектроскопия, изготовление полупроводниковых компонентов, биомедицинской диагностики.

Если сначала большинство исследований в ТГц области было посвящено разработке методов генерации и детектирования ТГц излучения, то сейчас основное внимание уделяется областям применения ТГц излучения в практических приложениях, например, в высокоскоростных линиях связи, молекулярной спектроскопии, визуализации объектов для задач безопасности, медицинской диагностики.

1.2. Терагерцовая спектроскопия с разрешением во времени

Терагерцовая спектроскопия с разрешением во времени (далее TDS) является техникой получения информации о комплексном поле ТГц сигнала во временной области.

Рисунок 1.2 Типичная схема реализации метода терагерцовой спектроскопии с разрешением во времени. Fs - фемтосекундная лазерная система, BS -светоделитель, С - чоппер, М1-М9 - зеркала, DL - линия задержки, InAs - кристалл арсенида индия, F1, F2 - фильтры, S - объект исследования, G - призма Глана, PM1 - пораболическое зеркало, EOS -электрооптический кристалл, Я/4 -четвертьволновая пластина, W - призма Волластона, BPD - балансный детектор, LA - усилитель, ADC - аналого-цифровой преобразователь, PC - компьютер [17].

На Рисунке 1.2 изображена типичная реализация техники терагерцовой спектроскопии с разрешением во времени. Сигнал фемтосекундного лазера разделяется на два пучка, один из которых модулируется, а затем освещает активную среду (в данном случае кристалл 1пАб) для генерации ТГц излучения, а другой служит для электрооптического детектирования ТГц импульса, чтобы получить распределение амплитуды ТГц импульса во времени. Терагерцовое излучение фокусируется на объект исследования системой линз. После прохождения образца, ТГц излучение собирается системой линз и фокусируется на электрооптический кристалл (например, 7иТе или СёТе). Опорный пучок направляется в призму Глана, пройдя которую, вектор поляризации опорного пучка поворачивается на 45 градусов по сравнению с поляризацией ТГц импульсного

излучения. Опорный пучок и ТГц пучок пересекаются на электрооптическом кристалле. ТГц излучение, проходя через кристалл, индуцирует в нем двулучепреломление (эффект Поккельса), из-за чего поляризация пробного пучка меняется пропорционально напряженности ТГц импульсов. Изменение в поляризации пробного пучка определяется с помощью системы из четвертьволновой пластины, призмы Волластона, системы линз и балансного фотодетектора. С помощью линии задержки сдвигают время прихода пробного пучка на кристалл-детектор, управляя координатой пересечения ТГц и фемтосекундного импульса во времени, таким образом, за счет стробирования ТГц импульса более короткими фемтосекундными, осуществляется регистрация временной формы Е(0 ТГц импульса.

1.3. Терагерцовые системы связи

На сегодняшний день наиболее высокую скорость передачи данных в повседневной жизни обеспечивают волоконно-оптические сети, скорость передачи в них может достигать уровня петабит в секунду. Однако для конечного пользователя волоконные системы чаще всего расширяют с помощью беспроводных сетей передачи, производительность которых сильно уступает волоконным. В то же время, именно спрос на беспроводные системы передачи данных постоянно возрастает. Согласно закону Эдхольма (Рисунок 1.3) о требуемом росте скорости передачи данных в беспроводных линиях связи, уже через несколько лет потребуются скорости передачи данных в несколько десятков, и даже сотен гигабит в секунду - к примеру, для телевизионной трансляции с ультравысоким разрешением, для поддержки технологии 100G Ethernet, а также для технологий быстрой передачи больших объемов данных на малые (около 5 см) и средние расстояния (1-10 м) расстояния, что необходимо для передачи данных между компонентами устройств, а также в центрах хранения данных.

Рисунок 1.3 Рост скорости передачи данных в проводных, беспроводных и мобильных системах связи.

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

Частота. ТГц

Рисунок 1.4 Амплитудный спектр ТГц импульса 0.1 - 1 ТГц через оптический канал длиной 167 метров.

Емкость канала связи определяется значением несущей частоты канала, частотой следования импульсов и шириной спектра: чем выше несущая частота, частота следования и шире спектр излучения, тем больший объем данных может быть передан по каналу. Излучение терагерцового диапазона частот (0.1 - 10 ТГц)

на данный момент является наиболее перспективным инструментом для создания систем передачи данных нового поколения, поскольку обладает одновременно более высокими значениями несущих частот, сверхшироким спектром и высокой частотой следования импульсов в случае импульсного сигнала. Кроме того, сегодня уже разработаны подходящие для таких систем сверхбыстрые модуляторы. Локальные беспроводные высокоскоростные сети не единственное возможное применение терагерцовой фотоники в телекоммуникациях. С помощью высокомощных источников терагерцового излучения возможно создание «вертикальных» каналов связи со спутниками с высокой скоростью передачи данных.

К настоящему времени разработаны и даже введены в эксплуатацию телекоммуникационные системы терагерцовой связи, основанные на сравнительно узкополосном ТГц излучении (ширина полосы частот в среднем до 50 ГГц). Полный обзор данных систем представлен в работе [18]. Нужно отметить, что даже ширина полосы в 50 ГГц является сверхширокой по сравнению с используемыми сегодня в локальных беспроводных сетях передачи данных ("^ЬАК): 83 МГц на несущей частоте 2.4 ГГц и 240 МГц на частоте 5 ГГц.

К примеру, в 2007 году была предложена концепция системы терагерцовой связи на несущей частоте 350 ГГц и шириной канала 47 ГГц, основанная на технологии передачи сигнала в условиях отсутствия прямой видимости (КЪОБ) [19]. Было показано, что для передачи терагерцового сигнала понадобятся антенны с высоким коэффициентом усиления и высоконаправленной передачей сигнала, для которой было предложено использовать всенаправленные диэлектрические зеркала. Эффективность такого подхода исследовалась с помощью моделирования трассировки лучей канала распространения терагерцового излучения в офисе, для которого в качестве параметров строительного материала стен, обстановки и зеркал брались измеренные в эксперименте реальные параметры. Отмечается, что непрямая направленная передача сигнала сделает терагерцовую систему связи устойчивой к затенению.

Однако, приведенные системы не позволяют задействовать весь доступный спектр терагерцовых частот, поэтому дальнейшие исследования в сфере терагерцовых коммуникаций связаны с возможностью расширения используемой полосы частот, что ведет к применению импульсных ТГц источников. Возможные методы реализации, компоненты, проблемы и перспективы терагерцовых систем связи рассматривались в ряде работ [20], [21], [22]. Отмечается, что импульсное ТГц излучение сможет предоставить наибольшую емкость канала передачи даже без использования сложных схем модуляции и мультиплексирования. Оценки ескости канала ТГц связи связи на основе импульсного излучения показывают, что на малых дистанциях (до 1 м) возможна передача данных со скоростью в несколько терабит в секунду [23], кроме того, отмечается, что такие системы меньше подвержены шумам, а искажения сигнала поддаются восстановлению.

В связи с этим, была предложена концепция широкополосного терагерцового канала связи, основанная на применении различных спектральных «окон» терагерцового диапазона в зависимости от расстояния передачи [24] (такое разделение по расстояниям связано с неоднородным поглощением терагерцового спектра в атмосфере - Рисунок 1.4). Кроме того, экспериментально продемонстрирована возможность кодирования и передачи информации в 31 спектральном канале ТГц суперконтинуума, разделенных между собой 23 ГГц окнами [25].

Выводы

Импульсное ТГц излучение представляют большой интерес для реализации сетей локальной беспроводной связи, и для других приложений, связанных с передачей большого объема данных на короткие расстояния. Мощность существующих источников импульсного ТГц излучения ограничивает возможные расстояния передачи несколькими метрами, однако это ограничение может быть преодолено в ближайшем будущем, поскольку активно ведутся разработки более мощных и компактных источников. Однако, даже при наличии более мощных

источников, другим значительным препятствием для реализации терагерцовых систем связи является шум, возникающий из-за молекулярного поглощения (в основном молекулами воды) при распространении в атмосфере. Такие молекулы не только поглощают излучение, но и вносят фазовый шум в передаваемый сигнал. Кроме того, проблемой является дифракция излучения при распространении, а также подверженность динамическим и статическим помехам.

Возможным способом решения данной проблемы может быть применение широкополосных пучков терагерцового излучения с особой пространственной структурой. Идея формировать световые пучки с нужными пространственными параметрами, например, с определенным распределением интенсивности, фазы или поляризации, а также временными параметрами. Свойства таких пучков могут быть специально адаптированы для оптимизации различных оптических приложений. В связи с этим, за последние десятиления шли исследования целого ряда пучков с особой структурой: пучков Эйри, Матье, Вебера, Бесселя и других пучков.

Оптические вихри, или пучки с орбитальным угловым моментом, обладающие спиральными фазовыми фронтами и кольцевым распределением интенсивности, являются одним из видов пучков с особой пространственной структурой. Другим распространенным примером пучков с особой структурой являются пучки Бесселя-Гаусса.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Семёнова, Варвара Александровна, 2018 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. X.-C. Zhang J.X. Introduction to Thz Wave Photonics. New York: Springer, 2010. 239 p.

2. Nagatsuma T., Ducournau G., Renaud C.C. Advances in terahertz communications accelerated by photonics // Nat. Photonics. Nature Publishing Group, 2016. Vol. 10, № 6. P. 371-379.

3. Han C., Akyildiz I.F. Distance-Aware Bandwidth-Adaptive Resource Allocation for Wireless Systems in the Terahertz Band // IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 2016. Vol. 6, № 4. P. 541-553.

4. Yardimci N.T. et al. High-Power Terahertz Generation Using Large-Area Plasmonic Photoconductive Emitters // IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 2015. Vol. 1. P. 1-7.

5. Hoffmann M.C., Fulop J.A. Intense ultrashort terahertz pulses: Generation and applications // J. Phys. D. Appl. Phys. 2011. Vol. 44, № 8.

6. Rubinsztein-Dunlop H. et al. Roadmap on structured light // J. Opt. 2017. Vol. 19, № 1.

7. Yao A.M., Padgett M.J. Orbital angular momentum: origins, behavior and applications // Adv. Opt. Photonics. 2011. Vol. 3. P. 161-204.

8. Lin J. et al. Multiplexing free-space optical signals using superimposed collinear orbital angular momentum states. // Appl. Opt. 2007. Vol. 46, № 21. P. 46804685.

9. Wei X. et al. Orbit Angular Momentum Multiplexing in 0 . 1-THz Free- Space Communication via 3D Printed Spiral Phase Plates // CLEO:2014. 2014. № STu2F.2. P. 6-7.

10. Lee Y.S. Principles of terahertz science and technology // Springer Science. 2009. 1-340 p.

11. Sizov F., Rogalski a. THz detectors // Prog. Quantum Electron. 2010. Vol. 34, № 5. P. 278-347.

12. Stojanovic N., Drescher M. Accelerator-and laser-based sources of high-field terahertz pulses // J. Phys. B At. Mol. Opt. Phys. 2013. Vol. 46. P. 192001.

13. Yeh K.-L. et al. Generation of high average power 1kHz shaped THz pulses via optical rectification // Opt. Commun. 2008. Vol. 281, № 13. P. 3567-3570.

14. Venkatesh M. et al. Optical characterization of GaAs photoconductive antennas for efficient generation and detection of Terahertz radiation // Opt. Mater. (Amst). Elsevier B.V., 2014. Vol. 36, № 3. P. 596-601.

15. Wynne K., Jaroszynski D.A. Superluminal terahertz pulses. // Opt. Lett. 1999. Vol. 24, № 1. P. 25-27.

16. Jiang Z., Zhang X.C. 2D measurement and spatio-temporal coupling of few-cycle THz pulses. // Opt. Express. 1999. Vol. 5, № 11. P. 243-248.

17. Zhukova M.O. et al. An Investigation of the Transmission of Iron-Doped Zinc Selenide in the Terahertz-Frequency Range // Opt. Spectrosc. 2018. Vol. 124, № 5. P. 687-690.

18. Semenova V., Bespalov V. Terahertz Technologies for Telecommunications // Photonics. 2015. Vol. 51, № 3. P. 126-141.

19. Piesiewicz R. et al. Short-range ultra-broadband terahertz communications: Concepts and perspectives // IEEE Antennas Propag. Mag. 2007. Vol. 49, № 6. P. 24-39.

20. Akyildiz I.F., Jornet J.M., Han C. Terahertz band: Next frontier for wireless communications // Phys. Commun. 2014. Vol. 12. P. 16-32.

21. Lin C., Li G. Indoor Terahertz Communications: How Many Antenna Arrays Are Needed? // IEEE Trans. Wirel. Commun. 2015. Vol. 1276, № c. P. 1-1.

22. Yu X. et al. The prospects of ultra-broadband THz wireless communications // Int. Conf. Transparent Opt. Networks. 2014. P. 1-4.

23. Jornet J.M., Akyildiz I.F. Channel Capacity of Electromagnetic Nanonetworks in the Terahertz Band // 2010 IEEE Int. Conf. Commun. 2010. P. 1-6.

24. Han C., Bicen A., Akyildiz I. Multi-Wideband Waveform Design for Distance-adaptive Wireless Communications in the Terahertz Band // IEEE Trans. Signal Process. 2015. Vol. 64, № c. P. 1-1.

25. Grachev Y. V et al. Wireless Data Transmission Method Using Pulsed THz Sliced Spectral Supercontinuum. 2018. Vol. 30, № 1. P. 103-106.

26. Soifer V.A. et al. VORTEX BEAMS IN TURBULENT MEDIA: REVIEW // Comput. Opt. 2016. Vol. 40, № 5. P. 605-624.

27. Costanzo S. Localized Bessel Beams: Basic Properties and Emerging Communication Applications // Wave Propagation Concepts for Near-Future Telecommunication Systems. InTech, 2017. P. 3-14.

28. Ahmed N. et al. Mode-Division-Multiplexing of Multiple Bessel-Gaussian Beams Carrying Orbital-Angular- Momentum for Obstruction- Tolerant Free-Space Optical and Millimetre-Wave Communication Links // Nat. Publ. Gr. Nature Publishing Group, 2016. № October 2015. P. 2-11.

29. Petrov N. V., Bespalov V.G., Volkov M. V. Phase retrieval of THz radiation using set of 2D spatial intensity measurements with different wavelengths // Proc. SPIE. 2012. Vol. 8281, № 82810J. P. 1-7.

30. Balbekin N.S. et al. The Modeling Peculiarities of Diffractive Propagation of the Broadband Terahertz Two-dimensional Field // Phys. Procedia. 2015. Vol. 73. P. 49-53.

31. Езерская А. А. et al. Дифракция однопериодных терагерцовых волн с гауссовым поперечным распределением // Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. 2011. Vol. 1, № 71. P. 10-16.

32. Ezerskaya A.A. et al. Spectral approach in the analysis of pulsed terahertz radiation // J. Infrared, Millimeter, Terahertz Waves. 2012. Vol. 33, № 9. P. 926942.

33. Kozlov S.A., Ivanov D. V, Waals D. Diffraction of a terahertz single-period train of the field at a slit // J. Opt. Technol. 2010. Vol. 77, № 11. P. 95-97.

34. Petrov N. V. et al. Application of Terahertz Pulse Time-Domain Holography for Phase Imaging // IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 2016. Vol. 6, № 3. P. 464472.

35. Шполянский Ю.А. Огибающая, фаза и частота оптического сигнала со сверхшироким спектром в прозрачной среде // ЖЭТФ. 2010. Vol. 138, № 4(10). P. 631-641.

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

Petrov N. V., Gorodetsky A.A., Bespalov V.G. Holography and phase retrieval in terahertz imaging // Proc. of SPIE. 2013. № 8846. P. 88460S. Sereda L., Ferrari A. Spectral and time evolution in diffraction from a slit of polychromatic and nonstationary plane waves. 1996. Vol. 13, № 7. P. 1394-1402. Papoff F. et al. Diffraction-Induced Polarization Effects in Optical Pattern Formation // Phys. Rev. Lett. 1999. Vol. 82. P. 2087.

Durnin J., Miceli J., Eberly J.H. Diffraction-free beams // Phys. Rev. Lett. 1987. Vol. 58, № 15. P. 1499-1501.

Cossio M.L.T. et al. Non-Diffracting waves // Uma ética para quantos? 2012. Vol. XXXIII, № 2. 81-87 p.

Bouchal Z., Wagner J., Chlup M. Self-reconstruction of a distorted nondiffracting beam // Opt. Commun. 1998. Vol. 151, № 4-6. P. 207-211. Lee K.-S., Rolland J.P. Bessel beam spectral-domain high-resolution optical coherence tomography with micro-optic axicon providing extended focusing range // Opt. Lett. Optical Society of America, 2008. Vol. 33, № 15. P. 1696. Mazilu M. et al. Light beats the spread: "Non-diffracting" beams // Laser Photonics Rev. 2010. Vol. 4, № 4. P. 529-547.

Alexeev I. et al. Application of Bessel beams for ultrafast laser volume structuring of non transparent media. 2010.

Kollarova V., Medrik T., Celechovsky R. Application of nondiffracting beams to wireless optical communications // Proc. SPIE. 2007. Winnerl S. et al. Terahertz Bessel-Gauss beams of radial and azimuthal polarization from microstructured photoconductive antennas // Opt. Express. 2009. Vol. 17, № 3. P. 1571.

Shaukat M.U. et al. Generation of Bessel beams using a terahertz quantum cascade laser // Opt. Lett. 2009. Vol. 34, № 7. P. 1030.

Yu Y.Z., Dou W.B. Production of THz pseudo-Bessel beams with uniform axial intensity using irregular binary axicons // IET Optoelectron. 2010. Vol. 4, № 5. P. 195.

Bitman A., Moshe I., Zalevsky Z. Improving depth-of field in broadband THz

beams using nondiffractive Bessel beams. // Opt. Lett. 2012. Vol. 37, № 19. P. 4164-4166.

50. Lee K., Ahn J. Single-pixel coherent diffraction imaging // Appl. Phys. Lett. 2010. Vol. 97, № 24. P. 1-4.

51. Lloyd J. et al. Characterization of apparent superluminal effects in the focus of an axicon lens using terahertz time-domain spectroscopy // Opt. Commun. 2003. Vol. 219, № 1-6. P. 289-294.

52. Alexeev I., Kim K.Y., Milchberg H.M. Measurement of the Superluminal Group Velocity of an Ultrashort Bessel Beam Pulse // Phys. Rev. Lett. 2002. Vol. 88, № 7. P. 4.

53. Recami E. On localized "X-shaped" Superluminal solutions to Maxwell equations // Phys. A Stat. Mech. its Appl. 1998. Vol. 252, № 3-4. P. 586-610.

54. Kulya M.S. et al. On terahertz pulsed broadband Gauss-Bessel beam free-space propagation // Sci. Rep. Springer US, 2018. Vol. 8, № 1. P. 1-11.

55. Dennis M.R., O'Holleran K., Padgett M.J. Chapter 5 Singular Optics: Optical Vortices and Polarization Singularities // Progress in Optics. Elsevier B.V., 2009. Vol. 53, № 08. 293-363 p.

56. Nye J.F., Berry M. V. Dislocations in Wave Trains // Proc. R. Soc. A Math. Phys. Eng. Sci. 1974. Vol. 336, № 1605. P. 165-190.

57. Allen L. et al. Orbital angular momentum of light and the transformation of Laguerre-Gaussian laser modes // Phys. Rev. A. 1992. Vol. 45, № 11.

58. Allen L., Padgett M.J. Poynting vector in Laguerre-Gaussian beams and the interpretation of their angular momentum density // Opt. Commun. 2000. Vol. 184, № 1. P. 67-71.

59. Soskin M. et al. Singular optics and topological photonics // J. Opt. (United Kingdom). IOP Publishing, 2017. Vol. 19, № 1.

60. Senthilkumaran P., Sato S., Masajada J. Singular optics // Int. J. Opt. 2012. Vol. 2012.

61. Cai X. et al. Integrated compact optical vortex beam emitters // Science (80-. ). 2012. Vol. 338, № 6105. P. 363-366.

62. Yan Y. et al. High-capacity millimetre-wave communications with orbital angular momentum multiplexing // Nat. Commun. Nature Publishing Group, 2014. Vol. 5. P. 4876.

63. Yu S. et al. Design, fabrication, and measurement of reflective metasurface for orbital angular momentum vortex wave in radio frequency domain // Appl. Phys. Lett. 2016. Vol. 108, № 12. P. 1-6.

64. Peele A.G. et al. Observation of an x-ray vortex // Opt. Lett. 2002. Vol. 27, № 20. P. 1752.

65. He J. et al. Generation and evolution of the terahertz vortex beam // Opt. Express. 2013. Vol. 21, № 17. P. 20230-20239.

66. Lai X.-J. et al. Resolution enhancement of spectrum normalization in synthetic aperture digital holographic microscopy // Appl. Opt. 2015. Vol. 54, № 1. P. A51-A58.

67. Slussarenko S. et al. Efficient generation and control of different-order orbital angular momentum states for communication links. // J. Opt. Soc. Am. A. Opt. Image Sci. Vis. 2011. Vol. 28, № 1. P. 61-65.

68. Willner A.E. et al. Optical communications using orbital angular momentum beams // Adv. Opt. Photonics. 2015. Vol. 7, №. P. 66-106.

69. Wang J. Advances in communications using optical vortices // Photonics Res. 2016. Vol. 4, № 5. P. B14.

70. Wang J. et al. Terabit free-space data transmission employing orbital angular momentum multiplexing // Nat. Photonics. Nature Publishing Group, 2012. Vol. 6. P. 488-496.

71. Xie G. et al. Performance metrics and design considerations for a free-space optical orbital-angular-momentum- multiplexed communication link. 2015. Vol. 2, № 4.

72. Bozinovic N. et al. Terabit-scale orbital angular momentum mode division multiplexing in fibers // Science (80-. ). 2013. Vol. 340, №. P. 1545-1548.

73. Tamburini F. et al. Encoding many channels on the same frequency through radio vorticity: first experimental test // New J. Phys. 2012. Vol. 14, № 033001. P. 1-

74. Ren Y. et al. 400-Gbit / s Free-Space Optical Communications Link Over 120-meter Using Multiplexing of 4 Collocated Orbital- Angular-Momentum Beams // OFC. 2015. № M2F.1.

75. Berry M. V. Exploring the colours of dark light // New J. Phys. 2002. Vol. 4.

76. Lee J.H. et al. Experimental verification of an optical vortex coronagraph // Phys. Rev. Lett. 2006. Vol. 97, № 5. P. 6-9.

77. Tokizane Y., Oka K., Morita R. Supercontinuum optical vortex pulse generation without spatial or topological-charge dispersion. // Opt. Express. 2009. Vol. 17, № 17. P. 14517-14525.

78. Swartzlander G.A., Hernandez-Aranda R.I. Optical Rankine vortex and anomalous circulation of light // Phys. Rev. Lett. 2007. Vol. 99, № 16.

79. Kotlyar V. V. et al. Simple optical vortices formed by a spiral phase plate // J. Opt. Technol. 2007. Vol. 74, № 10. P. 686.

80. Miyamoto K. et al. Direct observation of the topological charge of a terahertz vortex beam generated by a Tsurupica spiral phase plate // Appl. Phys. Lett. 2014. Vol. 104, № 26. P. 2012-2016.

81. Zhu L. et al. Experimental Demonstration of Basic Functionalities for 0 . 1-THz Orbital Angular Momentum ( OAM ) Communications // OFC Proc. 2014. № c. P. 8-10.

82. Wei X. et al. Orbit angular momentum encoding at 0.3 THz via 3D printed spiral phase plates // Proc. SPIE. 2014. Vol. 9275. P. 92751P.

83. Wei X. et al. Generation of arbitrary order Bessel beams via 3D printed axicons at the terahertz frequency range // Appl. Opt. 2015. Vol. 54, № 36. P. 10641.

84. Knyazev B.A. et al. Generation of Terahertz Surface Plasmon Polaritons Using Nondiffractive Bessel Beams with Orbital Angular Momentum // Phys. Rev. Lett.

2015. Vol. 115, № 16. P. 1-5.

85. Miyamoto K. et al. Highly intense monocycle terahertz vortex generation by utilizing a Tsurupica spiral phase plate // Sci. Rep. Nature Publishing Group,

2016. Vol. 6, № September. P. 38880.

86. Imai R. et al. Generation of broadband terahertz vortex beams // Opt. Lett. 2014. Vol. 39, № 13. P. 3714-3717.

87. Pires H.D.L., Woudenberg J., van Exter M.P. Measurement of the orbital angular momentum spectrum of partially coherent beams. // Opt. Lett. 2010. Vol. 35, № 6. P. 889-891.

88. Soskin M.S., Polyanskii P. V., Arkhelyuk O.O. Computer-synthesized hologram-based rainbow optical vortices // New J. Phys. 2004. Vol. 6. P. 1-8.

89. Yamane K. et al. Frequency-resolved measurement of the orbital angular momentum spectrum of femtosecond ultra-broadband optical-vortex pulses based on field reconstruction // New J. Phys. IOP Publishing, 2014. Vol. 16, № 5. P. 53020.

90. Kotlyar V. V., Kovalev A.A., Porfirev A.P. Astigmatic transforms of an optical vortex for measurement of its topological charge // Appl. Opt. 2017. Vol. 56, № 14. P. 4095.

91. Bekshaev A.Y., Karamoch A.I. Spatial characteristics of vortex light beams produced by diffraction gratings with embedded phase singularity // Opt. Commun. 2008. Vol. 281, № 6. P. 1366-1374.

92. Soskin M.S. et al. Topological charge and angular momentum of light beams carrying optical vortices // Phys. Rev. A. 1997. Vol. 56, № 5. P. 4064-4075.

93. Lukin V.P., Konyaev P. a, Sennikov V. a. Beam spreading of vortex beams propagating in turbulent atmosphere // Appl. Opt. 2012. Vol. 51, № 10. P. C84-7.

94. Pariente G., Quere F. Spatio-temporal light springs : extended encoding of orbital angular momentum in ultrashort pulses // Opt. Lett. 2015. Vol. 40, № 9. P. 20372040.

95. Vasnetsov M. V., Marienko I.G., Soskin M.S. Self-reconstruction of an optical vortex // J. Exp. Theor. Phys. Lett. 2000. Vol. 71, № 4. P. 130-133.

96. Jeng C.-C. et al. Partially Incoherent Optical Vortices in Self-Focusing Nonlinear Media // Phys. Rev. Lett. 2004. Vol. 92, № 4. P. 0439041-4.

97. Liu X. et al. Experimental demonstration of vortex phase-induced reduction in scintillation of a partially coherent beam // Opt. Lett. Optical Society of America,

2013. Vol. 38, № 24. P. 5323.

98. Liu X. et al. Self-reconstruction of the degree of coherence of a partially coherent vortex beam obstructed by an opaque obstacle // Appl. Phys. Lett. AIP Publishing LLC, 2017. Vol. 110, № 18. P. 181104.

99. Nemoto N. et al. Highly precise and accurate terahertz polarization measurements based on electro- optic sampling with polarization modulation of probe pulses.

2014. Vol. 22, № 15. P. 1537-1540.

100. Padgett M.J. et al. Divergence of an orbital-angular-momentum-carrying beam upon propagation // New J. Phys. 2015. Vol. 17, № 023011. P. 1-5.

101. Bekshaev A. et al. Singular skeleton evolution and topological reactions in edge-diffracted circular optical-vortex beams // Opt. Commun. Elsevier B.V., 2017. Vol. 397, № February. P. 72-83.

102. Bekshaev A. et al. Localization and migration of phase singularities in the edge-diffracted optical- vortex beams // Proc. Int. Conf. Adv. Optoelectron. Lasers, CAOL. IOP Publishing, 2016. Vol. 18, № 2. P. 23-25.