RU2648975C2 - Method for obtaining a scalar vortex beam and device for its implementation - Google Patents

Method for obtaining a scalar vortex beam and device for its implementation Download PDF

Info

Publication number
RU2648975C2
RU2648975C2 RU2016132761A RU2016132761A RU2648975C2 RU 2648975 C2 RU2648975 C2 RU 2648975C2 RU 2016132761 A RU2016132761 A RU 2016132761A RU 2016132761 A RU2016132761 A RU 2016132761A RU 2648975 C2 RU2648975 C2 RU 2648975C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
phase
beams
optical
obtaining
controller
Prior art date
Application number
RU2016132761A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2016132761A (en
Inventor
Валерий Викторович Колосов
Михаил Ефимович Левицкий
Валерий Петрович Аксенов
Вадим Витальевич Дудоров
Григорий Алексеевич Филимонов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук
Priority to RU2016132761A priority Critical patent/RU2648975C2/en
Publication of RU2016132761A publication Critical patent/RU2016132761A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2648975C2 publication Critical patent/RU2648975C2/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0927—Systems for changing the beam intensity distribution, e.g. Gaussian to top-hat
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/30—Polarising elements

Abstract

FIELD: optics.
SUBSTANCE: method of obtaining a scalar vortex beam and the device for its realization ensure the formation of a far-field intensity distribution due to the interference of individual Gaussian, parallel beams located in different phase states and located uniformly along the perimeters of geometric figures possessing a common center of symmetry. In this case, all the beams are in the same polarization state. As a result, it is possible to form a composite beam having zero intensity at the center and a nonzero orbital angular momentum.
EFFECT: technical result consists in creating a system for the formation of an optical (laser) scalar vortex beam with a nonzero orbital angular momentum.
3 cl, 2 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Изобретение относится к лазерной технике и волоконной оптике и может быть использовано для создания систем оптической передачи данных через свободное пространство (атмосферу). Изобретение может найти применение в различных областях техники, где требуется формирование лазерных пучков с ненулевым орбитальным угловым моментом или использование лазерного пучка с центральным «нулем» в распределении интенсивности, а также пучков с нетипичным распределением интенсивности.The invention relates to laser technology and fiber optics and can be used to create optical data transmission systems through free space (atmosphere). The invention can find application in various technical fields where the formation of laser beams with a nonzero orbital angular momentum or the use of a laser beam with a central “zero” in the intensity distribution, as well as beams with an atypical intensity distribution, is required.

Уровень техникиState of the art

Предлагаемые способ и устройство основаны на принципах построения оптических фазированных решеток, дополненных элементами, управляющими сдвигом фаз отдельных пучков в решетке согласно принципам распределения фаз в скалярных вихревых пучках или пучках с орбитальным угловым моментом (ОУМ).The proposed method and device is based on the principles of constructing phased optical gratings, supplemented by elements that control the phase shift of individual beams in the grating according to the principles of phase distribution in scalar vortex beams or beams with orbital angular momentum (OAM).

Системы оптических фазированных решеток, как правило, используются для когерентного суммирования лазерных пучков с целью достижения максимальной плотности мощности в дальнем поле и являются предметом ряда российских и зарубежных патентов (US 8548017 В1, US 7058098 B1, US 7187492, RU 2470334, RU 2488862). Все эти патенты отличаются, главным образом, способами организации цепи обратной связи для выделения сигнала, управляющего фазирующими элементами, регулирующими текущие фазы отдельных элементов в решетке, для приведения всех элементов в решетке в состояние с одинаковыми фазами, а также наличием или отсутствием опорного канала.Phased array optical grating systems are typically used for coherent summation of laser beams in order to achieve maximum power density in the far field and are the subject of a number of Russian and foreign patents (US 8548017 B1, US 7058098 B1, US 7187492, RU 2470334, RU 2488862). All these patents differ mainly in the ways of organizing the feedback circuit to isolate the signal controlling the phasing elements that regulate the current phases of the individual elements in the lattice, to bring all elements in the lattice into a state with the same phases, as well as the presence or absence of a reference channel.

Вышеперечисленные способы и устройства предназначены для поддержания состояния синфазности отдельных элементов решетки в течение продолжительного времени, но не содержат элементов для формирования пучков с пространственно распределенной фазой и, как следствие, не способны формировать скалярные вихревые пучки. Известен ряд способов получения скалярного вихревого пучка. Среди них использование спиральной фазовой пластинки (Beijerbergen, M.W. Helical-wavefront laser beam produced with a spiral phaseplate / M.W. Beijerbergen, R. P.C. Coerwinkel, M. Kristensen, J.P. Woerdman // Opt. Commun. - 1994. - Vol. 112. - P. 321-327), деформируемого зеркала (Tyson, R.K. Generation of an optical vortex with segmented deformable mirror / R.K. Tyson, M. Scipioni, J. Viegas // Appl. Optics. - 2008. - Vol. 47. - No.33. - P. 6300-6306.), дифракционного оптического элемента (Li, S. Generation of optical vortex based on computer-generated holographic gratings by photolithography / S. Li, and Z. Wang//Appl. Phys. Lett. - 2013. - Vol. 103. - P. 141110-1-141110-3), пространственного модулятора света (Yao, A.M. Orbital angular momentum: origins, behavior and applications / A.M. Yao, M.J. Padgett // Adv. Opt. and Photonics. - 2011. - Vol. 3. - P. 161-204) и голографического элемента (Heckenberg, N. Generation of optical phase singularities by computer-generated holograms. / N. R. Heckenberg, R. McDuff, C.P. Smith, and A. White // Opt. Lett. - 1992. - Vol. 17. - P. 221-223). Все эти способы обладают рядом недостатков при использовании их в устройствах для беспроводной оптической передачи данных. Так использование спиральных фазовых пластинок, голографических элементов и дифракционных оптических элементов формируют лишь заданное стационарное распределение фазы выходного пучка, а также вносят ослабление в оптический сигнал, пространственные модуляторы света обладают низким быстродействием (~ 60 Гц) и ограничивают скорость передачи данных, кроме того, их использование ограничено тепловым воздействием излучения на жидкие кристаллы, что приводит к уменьшению допустимой полезной мощности сигнала.The above methods and devices are designed to maintain the phase state of the individual elements of the lattice for a long time, but do not contain elements for the formation of beams with a spatially distributed phase and, as a result, are not able to form scalar vortex beams. A number of methods are known for producing a scalar vortex beam. Among them, the use of a spiral phase plate (Beijerbergen, MW Helical-wavefront laser beam produced with a spiral phaseplate / MW Beijerbergen, RPC Coerwinkel, M. Kristensen, JP Woerdman // Opt. Commun. - 1994. - Vol. 112. - P. 321-327), deformable mirror (Tyson, RK Generation of an optical vortex with segmented deformable mirror / RK Tyson, M. Scipioni, J. Viegas // Appl. Optics. - 2008. - Vol. 47. - No.33. - P. 6300-6306.), Diffractive optical element (Li, S. Generation of optical vortex based on computer-generated holographic gratings by photolithography / S. Li, and Z. Wang // Appl. Phys. Lett. - 2013. - Vol. 103. - P. 141110-1-141110-3), spatial light modulator (Yao, AM Orbital angular momentum: origins, behavior and applications / AM Yao, MJ Padgett // Adv. Opt. And Photonics. - 2011 . - Vol. 3. - P. 161-204) and a holographic element (Heckenberg, N. Generation of optical phase singularities by computer-generated holograms. / N. R. Heckenberg, R. McDuff, C.P. Smith, and A. White // Opt. Lett. - 1992. - Vol. 17. - P. 221-223). All these methods have several disadvantages when used in devices for wireless optical data transmission. So the use of spiral phase plates, holographic elements and diffractive optical elements form only a given stationary distribution of the phase of the output beam, and also introduce attenuation into the optical signal, spatial light modulators have low speed (~ 60 Hz) and limit the data transfer rate, in addition, they use is limited by the thermal effect of radiation on liquid crystals, which reduces the allowable usable signal power.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является US Patent 9042017 В1 "Apparatus and method for producing an annular composite far-field patterned beam(s)". В данном патенте предлагаются метод и устройство для генерации составного (композитного) дальнепольного пучка, имеющего центральный «ноль» и дискретную цилиндрическую симметрию. Для этой цели используется фазированная решетка гауссовых пучков, при этом в каждый пучок вводится элемент для поворота вектора поляризации так, чтобы пучки, противоположные друг другу относительно нуля, были поляризованы в том же самом направлении, но повернуты в противофазе на 180 градусов. В результате этого в дальнем поле образуется распределение интенсивности с центральным нулем. Образование такого распределения интенсивности в дальнем поле обязано спин орбитальному моменту, возникающему в результате радиальной поляризации пучков, образующих апертуру композитного пучка.Closest to the claimed invention is US Patent 9042017 B1 "Apparatus and method for producing an annular composite far-field patterned beam (s)". This patent proposes a method and apparatus for generating a composite (composite) far field beam having a central “zero” and discrete cylindrical symmetry. For this purpose, a phased array of Gaussian beams is used, while an element is introduced into each beam to rotate the polarization vector so that the beams opposite to each other with respect to zero are polarized in the same direction but rotated 180 degrees in antiphase. As a result of this, an intensity distribution with a central zero is formed in the far field. The formation of such an intensity distribution in the far field is due to the spin orbital moment arising as a result of radial polarization of the beams forming the aperture of the composite beam.

Недостатком прототипа является то, что пучки, обладающие спин орбитальным моментом, способны нести лишь ограниченное число топологических зарядов (±1) в отличие от пучков с ОУМ, способных нести неограниченное число топологических зарядов. Кроме того, использование в описанном устройстве стационарных (не управляемых) поляризационных элементов исключает вариативность сформированного таким образом синтезированного пучка.The disadvantage of the prototype is that beams with spin orbital momentum can carry only a limited number of topological charges (± 1), in contrast to beams with OUMA, capable of carrying an unlimited number of topological charges. In addition, the use of stationary (not controlled) polarizing elements in the described device eliminates the variability of the synthesized beam thus formed.

Сведения, раскрывающие сущность изобретенияSummary of the invention

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании системы для формирования оптического (лазерного) скалярного вихревого пучка, обладающего ненулевым орбитальным угловым моментом.The problem to which the invention is directed is to create a system for forming an optical (laser) scalar vortex beam having a non-zero orbital angular momentum.

Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения, заключается в получении оптического пучка, обладающего ненулевым орбитальным угловым моментом, принимающим значения 0, ±1, ±2,

Figure 00000001
путем формирования композитного пучка, состоящего из отдельных коллимированных и параллельных друг другу пучков, центры которых расположены равномерно вдоль периметров геометрических фигур, обладающих общим центром симметрии, и настройки фазы каждого пучка, так что фазы соседних пучков вдоль периметра внешней фигуры отличаются на величину, равную 360°
Figure 00000002
где N - число отдельных пучков
Figure 00000003
на периметре внешней фигуры и поддержании такого фазового состояния системы в течение длительного промежутка времени путем управления фазовым состоянием отдельных пучков, образующих композитный пучок.The technical result achieved by the implementation of the claimed invention is to obtain an optical beam having a non-zero orbital angular momentum, taking values 0, ± 1, ± 2,
Figure 00000001
by forming a composite beam consisting of separate collimated and parallel to each other beams, the centers of which are located uniformly along the perimeters of geometric shapes having a common center of symmetry, and adjusting the phase of each beam, so that the phases of neighboring beams along the perimeter of the outer figure differ by 360 °
Figure 00000002
where N is the number of individual beams
Figure 00000003
on the perimeter of the external figure and maintaining such a phase state of the system for a long period of time by controlling the phase state of individual beams forming a composite beam.

Поставленная задача достигается тем, что, как и известный, заявляемый способ и устройство позволяют сформировать композитный пучок с центральным нулем в дальнепольном распределении интенсивности, однако в отличие от известного способа, формирующего дальнепольное распределение интенсивности в результате интерференции отдельных пучков, находящихся в различных состояниях поляризации (но в одинаковой фазе) согласно принципам формирования пучков со спин орбитальным моментом, заявляемые способ и устройство формируют дальнепольное распределение интенсивности в результате интерференции отдельных пучков, находящихся в различных фазовых состояниях (но в одинаковом состоянии поляризации) в соответствии с принципами формирования пучков с ОУМ.The problem is achieved in that, like the known, the claimed method and device allow to form a composite beam with a central zero in the far-field intensity distribution, however, in contrast to the known method, forming a far-field intensity distribution as a result of interference of individual beams in different polarization states ( but in the same phase) according to the principles of beam formation with a spin orbital moment, the inventive method and device form a long-field distribution intensification as a result of interference of individual beams in different phase states (but in the same polarization state) in accordance with the principles of the formation of beams with OAM.

Преимуществом является то, что в отличие от известного способа, формирующего композитный пучок со спин орбитальным моментом, способным нести ограниченное число топологических зарядов, предлагаемый способ позволяет формировать пучки, несущие неограниченное число топологических зарядов. Данные пучки, кроме того, могут быть модулированы по амплитуде, а также иным способом, не нарушающим фазовые соотношения между пучками, что создает возможность для передачи больших объемов информации.The advantage is that, in contrast to the known method, forming a composite beam with a spin orbital moment, capable of carrying a limited number of topological charges, the proposed method allows the formation of beams carrying an unlimited number of topological charges. These beams, in addition, can be modulated in amplitude, as well as in another way that does not violate the phase relations between the beams, which makes it possible to transmit large amounts of information.

Поставленная задача решается также тем, что, как и известные способ и устройство, заявляемые способ и устройство использует принципы построения фазированных оптических решеток.The problem is also solved by the fact that, like the known method and device, the inventive method and device uses the principles of constructing phased optical arrays.

В заявляемом способе формирование скалярного вихревого пучка включает образование композитного пучка с центральным нулем интенсивности и с ненулевым орбитальным моментом, величина которого является управляемой, быстро перестраиваемой и лежит в диапазоне [- N/3, N/3], путем управления фазой каждого пучка и поддержания такого фазового состояния системы в течение длительного промежутка времени. Значение диапазона найдено экспериментальным путем.In the inventive method, the formation of a scalar vortex beam involves the formation of a composite beam with a central zero intensity and non-zero orbital momentum, the magnitude of which is controllable, quickly tunable, and lies in the range [- N / 3, N / 3] by controlling the phase of each beam and maintaining such a phase state of the system for a long period of time. The range value is found experimentally.

Новым для способа является:New to the method is:

- формирование композитных пучков с ненулевым ОУМ, состоящих из отдельных коллимированных и параллельных друг другу пучков, расположенных вдоль периметров геометрических фигур, обладающих общим центром симметрии, при этом фаза каждого пучка вдоль периметра внешней фигуры отличается от фазы соседнего пучка на величину, равную 360°

Figure 00000002
где N - число отдельных пучков
Figure 00000003
на периметре внешней фигуры;- the formation of composite beams with non-zero OUMA, consisting of separate collimated and parallel to each other beams located along the perimeters of geometric figures having a common center of symmetry, while the phase of each beam along the perimeter of the external figure differs from the phase of the neighboring beam by 360 °
Figure 00000002
where N is the number of individual beams
Figure 00000003
on the perimeter of the outer figure;

- поддержание такого фазового состояния системы в течение длительного промежутка времени, определяемого согласно критерию;- maintaining such a phase state of the system for a long period of time, determined according to the criterion;

- N фазосдвигающих элементов выполняют функции не только начального фазирования элементов оптической решетки, но и последующего формирования оптической решетки с пространственно распределенной фазой, согласно принципам формирования пучков с ОУМ;- N phase-shifting elements perform the functions of not only the initial phasing of the elements of the optical lattice, but also the subsequent formation of the optical lattice with a spatially distributed phase, according to the principles of beam formation with OAM;

Новым для устройства является то, что заявляемое устройство:New for the device is that the claimed device:

- содержит две цепи обратной связи, первая из которых включает в себя фотодетектор, снабженный точечной диафрагмой с размером, близким к дифракционному размеру сфокусированного пучка с диаметром, равным размеру синтезированной апертуры, и первый контроллер, а вторая цепь включает в себя фотодетектор, снабженный диафрагмой с перекрытой центральной частью, имеющей размеры, близкие к дифракционному размеру сфокусированного пучка с диаметром, равным размеру синтезированной апертуры, и второй контроллер;- contains two feedback circuits, the first of which includes a photo detector equipped with a point aperture with a size close to the diffraction size of the focused beam with a diameter equal to the size of the synthesized aperture, and the first controller, and the second chain includes a photo detector equipped with a diaphragm with a covered central part having dimensions close to the diffraction size of the focused beam with a diameter equal to the size of the synthesized aperture, and a second controller;

- устройство не содержит дополнительных «объемных» оптических элементов в виде поляризационных пластинок и может быть выполнено целиком из волоконно-оптических элементов.- the device does not contain additional "bulk" optical elements in the form of polarizing plates and can be made entirely of fiber optic elements.

- для определения промежутка времени tстац второй контроллер используют критерий

Figure 00000004
полученный расчетным путем с использованием методов математического моделирования, где ΔР - относительный уровень падения сигнала на втором приемнике, Р - максимальный уровень сигнала на втором приемнике, а - апертура перекрытой центральной зоны второго приемника, Imax - максимальное значение интенсивности при когерентном сложении фазированных N пучков. Данный критерий означает, что заданное фазовое состояние пучков сохраняется в течение промежутка времени, пока интенсивность в центре композитного пучка не возрастет на величину ΔI≥Imax/2N.- to determine the time interval t stat the second controller uses the criterion
Figure 00000004
obtained by calculation using mathematical modeling methods, where ΔР is the relative level of signal drop at the second receiver, P is the maximum signal level at the second receiver, and is the aperture of the overlapped central zone of the second receiver, I max is the maximum intensity value for the coherent addition of phased N beams . This criterion means that the specified phase state of the beams is maintained for a period of time until the intensity in the center of the composite beam increases by ΔI≥I max / 2N.

Изобретение иллюстрируется графическими материалами. Описание работы устройства приведено на примере композитного пучка, состоящею из шести элементов, центры которых расположены вдоль окружности фиг. 1.The invention is illustrated in graphic materials. The operation of the device is described using an example of a composite beam consisting of six elements, the centers of which are located along the circumference of FIG. one.

Способ и устройство работают следующим образом: Устройство фиг. 2 включает в себя когерентный источник линейно-поляризованного оптического излучения 1 с длиной волны λ и делитель излучения на N (N≥3) каналов 2, связанных каждый с одним из N оптических фазосдвигающих элементов 3, регулирующих фазу оптической волны в пределах ±mλ (где m - число более 1). Каждый из N каналов (субпучок) усиливается соответствующим волоконным усилителем 4 и имеет на выходе линзовый коллиматор 5, формирующий параллельный пучок лучей. Все оптические элементы данного устройства поддерживают исходное состояние поляризации, однако при этом возникают неконтролируемые изменения и флуктуации фаз отдельных пучков вследствие изменения длин оптических путей под действием внешних факторов. Все устройство настраивается таким образом, чтобы на выходе образовать решетку коллимированных пучков, оптические оси которых параллельны друг другу и расположены равномерно по окружности как можно более плотно между собой с однонаправленной поляризацией, представляющую собой синтезированную апертуру (композитный пучок). Малая часть мощности всего композитного пучка отделяется от целого композитного пучка с помощью 1-й светоделительной пластины 6 и посредством 2-й светоделительной пластины 11 разделяется на две равные части. Первая часть фокусируется линзой 7 на 1-й фотоприемник 8, снабженный диафрагмой (пинхол) 9 с размером, близким к дифракционному размеру сфокусированного пучка с диаметром, равным размеру синтезированной апертуры, а вторая часть фокусируется линзой 12 на 2-й фотоприемник 14, снабженный диафрагмой 13 с глухой центральной частью, имеющей размеры, близкие к дифракционному размеру сфокусированного пучка с диаметром, равным размеру синтезированной апертуры. Сигнал от 1-го фотоприемника 8 поступает на 1-й N канальный контроллер 10, который управляет сдвигом фазы в каждой из N оптических фазосдвигающих ячеек в соответствии с методом стохастического параллельного градиентного спуска, таким образом, чтобы уровень сигнала на 1-м фотоприемнике 8 достиг своего максимального значения, образуя, таким образом, первую цепь отрицательной обратной связи. 1-й N-канальный контроллер может быть организован и на иных, отличных от алгоритма стохастического параллельного градиента принципах максимизации уровня сигнала на фотодетекторе, включая методы синхронного детектирования, для которых должен быть предусмотрен опорный канал оптического излучения, а также обрабатывать сигналы от фотодетекторов, организованных иным способом. Достижение максимального уровня сигнала на 1-м фотоприемнике 8 соответствует когерентному сложению N пучков, при котором все оптические сигналы поступают на приемник с одинаковым состоянием фазы. Данное состояние устанавливается как начальное (нулевое) состояние фазы всех N пучков. Такое состояние сохраняется в течение времени tстац >> tф - времени, необходимого для приведения всех N пучков в состояние с начальной (нулевой) фазой). Это состояние фиксируется для одного из N пучков и 1-й N канальный контроллер 10 передает управление 2-му N канальному контроллеру 15, который совместно с фотоприемником 14 образует вторую цепь обратной связи. Под управлением 2-го контроллера 15 все каналы относительно канала с зафиксированной фазой фазируются последовательно со сдвигом фазы, равным 360 град/N относительно друг друга. При этом устанавливается состояние синтезированного пучка, в котором разность фаз между всеми соседними пучками, за исключением пучков с номерами n=1 и n=N, отличается на величину 360 град/N. Для пучков с номерами n=1 и n=N разность фаз составляет (360 град - 360 град/N). В результате такого фазирования в дальнем поле происходит интерференция совокупности N пучков и образуется синтезированный пучок, обладающий орбитальным угловым моментом. При этом уровень сигнала на 2-м приемнике 14 достигает своего максимального значения. Снижение уровня сигнала на 2-м фотоприемнике 14 согласно критерию

Figure 00000005
полученному расчетным путем с использованием методов математического моделирования (здесь ΔР - относительный уровень падения сигнала на втором приемнике, Р - максимальный уровень сигнала на втором приемнике, а - апертура перекрытой центральной зоны второго приемника, Imax - максимальное значение интенсивности при когерентном сложении фазированных N пучков) будет означать, что время tстац истекло, после чего компаратор, расположенный в цепи 2-го фотоприемника 14, отключает 2-й контроллер 15 и запускает 1-й контроллер 10, под управлением которого вновь все N пучков приводятся в состояние с одинаковой фазой. После установления всех отдельных пучков в состояние с одинаковой фазой вновь управление передается 2-му контроллеру 15. При этом время фазирования tф определяется временем отклика фазосдвигающих элементов, быстродействием управляющего контроллера и алгоритма фазирования и составляет ~ 10-5-10-3 с, a tстац, соответствующее времени распада фазированного состояния, зависит от фазовых неустойчивостей внутри устройства и составляет для системы без волоконно-оптического усилителя от 10-1 с до 10-2 с, а при наличии волоконно-оптического усилителя может сокращаться до 10-3 с в зависимости от величины выходной мощности усилителя.The method and device operate as follows: The device of FIG. 2 includes a coherent source of linearly polarized optical radiation 1 with a wavelength λ and a radiation divider into N (N≥3) channels 2, each connected to one of N optical phase-shifting elements 3, which regulate the phase of the optical wave within ± mλ (where m is a number greater than 1). Each of the N channels (subbeam) is amplified by a corresponding fiber amplifier 4 and has a lens collimator 5 at the output, forming a parallel beam of rays. All optical elements of this device maintain the initial state of polarization, however, uncontrolled changes and phase fluctuations of individual beams occur due to changes in the optical path lengths under the influence of external factors. The entire device is tuned in such a way as to form a lattice of collimated beams at the output, the optical axes of which are parallel to each other and are evenly distributed around the circle as densely as possible with unidirectional polarization, which is a synthesized aperture (composite beam). A small part of the power of the entire composite beam is separated from the whole composite beam using the 1st beam splitter plate 6 and by means of the 2nd beam splitter plate 11 is divided into two equal parts. The first part is focused by lens 7 on the 1st photodetector 8, equipped with a diaphragm (pinhole) 9 with a size close to the diffraction size of the focused beam with a diameter equal to the size of the synthesized aperture, and the second part is focused by lens 12 on the 2nd photodetector 14, equipped with a diaphragm 13 with a blank central part having dimensions close to the diffraction size of the focused beam with a diameter equal to the size of the synthesized aperture. The signal from the 1st photodetector 8 is fed to the 1st N channel controller 10, which controls the phase shift in each of the N optical phase-shifting cells in accordance with the method of stochastic parallel gradient descent, so that the signal level at the 1st photodetector 8 reaches of its maximum value, thus forming the first chain of negative feedback. The 1st N-channel controller can also be organized on principles other than the stochastic parallel gradient algorithm for maximizing the signal level at the photodetector, including synchronous detection methods for which a reference channel of optical radiation should be provided, as well as processing signals from photodetectors organized in a different way. Achieving the maximum signal level at the 1st photodetector 8 corresponds to the coherent addition of N beams, in which all optical signals arrive at the receiver with the same phase state. This state is established as the initial (zero) state of the phase of all N beams. This state persists for a time t stat >> t f - the time required to bring all N beams into a state with an initial (zero) phase). This state is fixed for one of the N beams and the 1st N channel controller 10 transfers control to the 2nd N channel controller 15, which together with the photodetector 14 forms a second feedback circuit. Under the control of the 2nd controller 15, all channels relative to the channel with a fixed phase are phased sequentially with a phase shift of 360 deg / N relative to each other. In this case, the state of the synthesized beam is established in which the phase difference between all neighboring beams, with the exception of beams with numbers n = 1 and n = N, differs by 360 deg / N. For beams with numbers n = 1 and n = N, the phase difference is (360 deg - 360 deg / N). As a result of such phasing in the far field, interference of a set of N beams occurs and a synthesized beam with an orbital angular momentum is formed. In this case, the signal level at the 2nd receiver 14 reaches its maximum value. The decrease in signal level at the 2nd photodetector 14 according to the criterion
Figure 00000005
obtained by calculation using mathematical modeling methods (here ΔР is the relative level of the signal drop at the second receiver, P is the maximum signal level at the second receiver, and is the aperture of the overlapped central zone of the second receiver, I max is the maximum intensity value for the coherent addition of phased N beams ) will mean that the time t stats has expired, after which the comparator located in the circuit of the 2nd photodetector 14 turns off the 2nd controller 15 and starts the 1st controller 10, under whose control again, all N beams are brought into a state with the same phase. After all individual beams are in a state with the same phase, control is again transferred to the second controller 15. In this case, the phasing time t f is determined by the response time of the phase-shifting elements, the speed of the control controller and the phasing algorithm is ~ 10 -5 -10 -3 s, at The stats corresponding to the decay time of the phased state depends on the phase instabilities inside the device and ranges from 10 -1 s to 10 -2 s for a system without a fiber-optic amplifier, and if there is a fiber-optic amplifier can be reduced to 10 -3 s depending on the magnitude of the output power of the amplifier.

Claims (3)

1. Способ получения скалярного вихревого пучка включает получение фазированной решетки N коллимированных параллельных друг другу гауссовских пучков, центры которых расположены равномерно вдоль периметров геометрических фигур, обладающих общим центром симметрии, путем управления N фазосдвигающими элементами, включенными в цепь положительной обратной связи и управляемых в соответствии с алгоритмом стохастического параллельного градиентного спуска, отличается тем, что образование композитного пучка с центральным нулем интенсивности и с ненулевым орбитальным моментом, величина которого является управляемой, быстро перестраиваемой и лежит в диапазоне [- N/3, N/3], осуществляется путем управления фазой каждого пучка и поддержания такого фазового состояния системы, при котором фазы соседних пучков вдоль периметра внешней фигуры отличаются на величину, равную 360°
Figure 00000006
где
Figure 00000007
- значение углового орбитального момента, в течение промежутка времени, до тех пор, пока интенсивность в центре композитного пучка не возрастет на величину
Figure 00000008
1. A method of obtaining a scalar vortex beam includes obtaining a phased array of N collimated Gaussian beams parallel to each other, the centers of which are located uniformly along the perimeters of geometric figures having a common center of symmetry, by controlling N phase-shifting elements included in the positive feedback circuit and controlled in accordance with algorithm of stochastic parallel gradient descent, characterized in that the formation of a composite beam with a central zero intensity and with a nonzero orbital momentum, the magnitude of which is controllable, quickly tunable, and lies in the range [- N / 3, N / 3], it is carried out by controlling the phase of each beam and maintaining such a phase state of the system in which the phases of neighboring beams along the perimeter of the external figure differ by 360 °
Figure 00000006
Where
Figure 00000007
- the value of the angular orbital momentum, over a period of time, until the intensity in the center of the composite beam increases by
Figure 00000008
 2. Устройство получения скалярного вихревого пучка включает когерентный источник линейно поляризационного излучения, делитель излучения на N каналов равной мощности, связанных с N оптическими фазосдвигающими элементами, регулирующими фазу оптической волны, каждый из N каналов имеет на выходе коллиматор, все N каналов располагаются равномерно по окружностям и настраиваются так, чтобы оптические оси выходящих пучков были параллельны друг другу, и формируют синтезированный пучок, часть излучения которого отклоняется с помощью первой светоделительной пластины, и отличается тем, что имеет вторую светоделительную пластину, делящую пучки на 2 равные части, и содержит две цепи управления, работающие попеременно, первая из которых содержит фотодетектор, снабженный точечной диафрагмой, и первый контроллер для приведения отдельных пучков в состояние с одинаковой фазой, а вторая цепь включает второй контроллер для формирования фазовых сдвигов, задающих величину орбитального углового момента, и фотодетектор, снабженный диафрагмой с перекрытой центральной зоной, для определения момента времени для передачи управления первому контролеру.2. The device for obtaining a scalar vortex beam includes a coherent source of linearly polarized radiation, a radiation divider into N channels of equal power associated with N optical phase-shifting elements that regulate the phase of the optical wave, each of the N channels has a collimator at the output, all N channels are arranged uniformly around the circles and are adjusted so that the optical axes of the emerging beams are parallel to each other, and form a synthesized beam, part of the radiation of which is deflected by the first light dividing plate, and differs in that it has a second beam-splitting plate dividing the beams into 2 equal parts, and contains two control circuits that operate alternately, the first of which contains a photodetector equipped with a point diaphragm, and the first controller to bring the individual beams into a state with the same phase, and the second circuit includes a second controller for generating phase shifts that specify the magnitude of the orbital angular momentum, and a photo detector equipped with a diaphragm with an overlapped central zone to determine omenta time to transfer control to the first controller. 3. Устройство по п. 2 отличается тем, что центры источников излучения могут располагаться на одной или нескольких концентрических окружностях.3. The device according to claim 2, characterized in that the centers of the radiation sources can be located on one or more concentric circles.
RU2016132761A 2016-08-08 2016-08-08 Method for obtaining a scalar vortex beam and device for its implementation RU2648975C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016132761A RU2648975C2 (en) 2016-08-08 2016-08-08 Method for obtaining a scalar vortex beam and device for its implementation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016132761A RU2648975C2 (en) 2016-08-08 2016-08-08 Method for obtaining a scalar vortex beam and device for its implementation

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2016132761A RU2016132761A (en) 2018-02-13
RU2648975C2 true RU2648975C2 (en) 2018-03-28

Family

ID=61227606

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016132761A RU2648975C2 (en) 2016-08-08 2016-08-08 Method for obtaining a scalar vortex beam and device for its implementation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2648975C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2716887C1 (en) * 2019-08-13 2020-03-17 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук (ИОА СО РАН) Method of forming a laser beam with arbitrarily given intensity distribution in a far optical field and a device for its implementation
RU2804262C1 (en) * 2023-05-15 2023-09-26 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук Method for amplitude, phase and polarization control in phased array of fibre amplifiers and control of distributed state of intensity, wave front and polarization of synthesized beam in the far optical field and device for its implementation

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080121790A1 (en) * 2006-11-07 2008-05-29 New York University Holographic microfabrication and characterization system for soft matter and biological systems
US20090040602A1 (en) * 2005-04-01 2009-02-12 University Of Rochester Polarization Converter, Optical system, Method and Applications
US9042017B1 (en) * 2008-09-23 2015-05-26 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Apparatus and method for producing an annular composite far-field patterned beam(s)
RU155381U1 (en) * 2015-04-01 2015-10-10 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского" DEVICE FOR GENERATION OF POLYCHROMATIC OPTICAL VORTEX

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090040602A1 (en) * 2005-04-01 2009-02-12 University Of Rochester Polarization Converter, Optical system, Method and Applications
US20080121790A1 (en) * 2006-11-07 2008-05-29 New York University Holographic microfabrication and characterization system for soft matter and biological systems
US9042017B1 (en) * 2008-09-23 2015-05-26 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Apparatus and method for producing an annular composite far-field patterned beam(s)
RU155381U1 (en) * 2015-04-01 2015-10-10 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского" DEVICE FOR GENERATION OF POLYCHROMATIC OPTICAL VORTEX

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2716887C1 (en) * 2019-08-13 2020-03-17 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук (ИОА СО РАН) Method of forming a laser beam with arbitrarily given intensity distribution in a far optical field and a device for its implementation
RU2804262C1 (en) * 2023-05-15 2023-09-26 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук Method for amplitude, phase and polarization control in phased array of fibre amplifiers and control of distributed state of intensity, wave front and polarization of synthesized beam in the far optical field and device for its implementation

Also Published As

Publication number Publication date
RU2016132761A (en) 2018-02-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Bai et al. Vortex beam: generation and detection of orbital angular momentum
Chen et al. Generation and characterization of a perfect vortex beam with a large topological charge through a digital micromirror device
Pachava et al. Generation and decomposition of scalar and vector modes carrying orbital angular momentum: a review
CN107621701B (en) Method and system for generating double-index Bessel Gaussian beam
Fu et al. Simultaneous generation of multiple perfect polarization vortices with selective spatial states in various diffraction orders
CN106353898B (en) Optical vortex generating system
CN105136289A (en) Composite grating used for detecting multiplexing vortex light beams and measuring method
CN110954213A (en) Cross-phase-based high-topological-charge-number vortex optical rotation preparation and detection method
US10054859B2 (en) Real-time variable parameter micro-nano optical field modulation system and interference lithography system
CN102841451A (en) Device for generating vector light beam through annular combination half wave plate
WO2021196078A1 (en) Device and method for regulating and controlling polarization state of light beam
Kessler et al. Phase conversion of lasers with low-loss distributed phase plates
CN111290147B (en) Device and method for regulating and controlling polarization state of light beam
US11625001B1 (en) Optical system for generating arbitrary-order optical vortex arrays and finite optical lattices with defects
CN108333789B (en) Vortex light preparation device based on matrix spiral phase plate multi-pass
RU2648975C2 (en) Method for obtaining a scalar vortex beam and device for its implementation
Mourard et al. Group and phase delay sensing for cophasing large optical arrays
CN113406791B (en) Diffraction zero-order vortex light complex amplitude modulation method
Kumar et al. Single-shot generation of composite optical vortex beams using hybrid binary fork gratings
RU2716887C1 (en) Method of forming a laser beam with arbitrarily given intensity distribution in a far optical field and a device for its implementation
Chen et al. Orbital angular momentum filter of photon based on spin-orbital angular momentum coupling
Vaity et al. Exciting OAM modes in annular-core fibers via perfect OAM beams
Adamov et al. Vortex beam generation by means of control of the piston shift of a fiber array using a phase forming DOE in active feedback loop
Zhao et al. High‐Efficiency Phase and Polarization Modulation Metasurfaces
Aksenov et al. Vortex beam formation by means of control of the piston shift of a fiber array