Просторова динаміка радіально поляризованого терагерцевого лазерного пучка з фазовою сингулярністю
Анотація
Отримано аналітичні вирази, що описують непараксіальну дифракцію у вільному просторі ТМ01 моди з радіальною поляризацією поля діелектричного хвилевідного резонатора терагерцового лазера при її взаємодії зі спіральною фазовою пластинкою з різним топологічним зарядом (n). Шляхом чисельного моделювання вивчено фізичні особливості отриманих вихрових пучків при їх поширенні та гострому фокусуванні. Для моделювання поширення пучків та фокусування отриманих пучків використані інтегральні дифракційні перетворення Релея–Зоммерфельда. У вільному просторі використання спіральної фазової пластинки на виході хвилеводу при топологічному заряді n = 1 призводить до зміни поперечного профілю пучка з кільцеподібного на пучок, який має максимум поля на осі, а далі (n = 2) знов на кільцеподібний. При фокусуванні розподіл сумарної інтенсивності поля за відсутності спіральної фазової пластинки має кільцеву структуру. Водночас на осі є незначна інтенсивність, що зумовлена вкладом повздовжньої компоненти поля. При використанні фазової пластинки поперечний профіль пучка змінюється так само як і при його поширенні. При цьому фазовий фронт змінюється із сферичного на спіральний з наявністю двох (n = 1) та чотирьох (n = 2) гілкових вихорів.
Завантаження
Посилання
G.S. Park, M. Tani, J.S. Rieh, and S.Y. Park, Advances in Terahertz Source Technologies, (CRC Press, 2024).
A. Saha, A. Biswas, K. Ghosh, and N. Mukhopadhyay, Optical to Terahertz Engineering, (Springer, 2023).
B. Gu, Y. Hu, X. Zhang, M. Li, Z. Zhu, G. Rui, and Y. Cui, “Angular momentum separation in focused fractional vector beams for optical manipulation”, Optics Express, 29(10), 14705 (2021). https://doi.org/10.1364/OE.423357
B. Gao, J. Wen, G. Zhu, L. Ye, and L.G. Wang, “Precise measurement of trapping and manipulation properties of focused fractional vortex beams”, Nanoscale, 14(8), 3123 (2022). https://doi.org/10.1039/D1NR06163A
B. Pant, B.K. Mishra, S. Singh, and B.K. Singh, “Mode transformation and dark spot formation of cylindrical vector beams by thin dielectric film”, Optics & Laser Technology, 180, 111539 (2025). https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2024.111539
J. Ma, Z. Xie, and X. Yuan, “Tailoring arrays of optical stokes skyrmions in tightly focused beams”, Laser & Photonics Reviews, 19(3), 2401113 (2025). https://doi.org/10.1002/lpor.202401113
M. Liu, Y. Lei, L. Yu, X. Fang, Y. Ma, L. Liu, and P. Gao, “Super-resolution optical microscopy using cylindrical vector beams”, Nanophotonics, 11(15), 3395 (2022). https://doi.org/10.1515/nanoph-2022-0241
X. Yuan, H. Guo, S. Zhuang, and J. Hu, “Generation and high-resolution focusing of higher-order vector beam via metasurface”, IEEE Photonics Journal, 16, 2201206 (2024). https://doi.org/10.1109/JPHOT.2024.3406534
S. Boichenko, “Fast-speed algorithm to compute tight focusing of laser beams: Effectiveness of circularly polarized vortex beam series as a mathematical basis”, Physical Review A, 109(4), 043501 (2024). https://doi.org/10.1103/PhysRevA.109.043501
V.V. Kotlyar, S.S. Stafeev, V.D. Zaitsev, A.M. Telegin, and E.S. Kozlova, “Spin–orbital transformation in a tight focus of an optical vortex with circular polarization”, Applied Sciences, 13(14), 8361 (2023). https://doi.org/10.3390/app13148361
Y. Miao, L. Wang, Q. Zhang, X. Sun, X. Gao, J. Wan, and S. Zhuang, “Tight-focusing properties of propagable fractional-order vector vortex beams”, Journal of the Optical Society of America B, 40(5), 1113 (2023). https://doi.org/10.1364/JOSAB.485509
D. Maluenda, M. Aviñoá, K. Ahmadi, R. Martínez-Herrero, and A. Carnicer, “Experimental estimation of the longitudinal component of a highly focused electromagnetic field”, Scientific Reports, 11(1), 17992 (2021). https://doi.org/10.1038/s41598-021-97164-z
Z. Qing, W. Yan, X. Long, Z. Yuan, Z.C. Ren, X.L. Wang, and H.T. Wang, “Longitudinal manipulation of local nonseparability in vector beams”, Optics Letters, 49(10), 2557 (2024). https://doi.org/10.1364/OL.524647
D.A. Ikonnikov, S.A. Vyunisheva, D.V. Prokopova, N.N. Losevsky, S.A. Samagin, S.P. Kotova, and A.M. Vyunishev, “Configurable vortex laser beams for optical manipulations of microparticle ensembles”, Laser Physics Letters, 20(8), 086002 (2023). https://doi.org/10.1088/1612-202X/ace0af
J. Zeng, Y. Dong, Y. Wang, J. Zhang, and J. Wang, “Optical imaging using orbital angular momentum: interferometry, holography and microscopy”, Journal of Lightwave Technology, 41(7), 2025 (2022). https://doi.org/10.1109/JLT.2022.3225214
M. Cheng, W. Jiang, L. Guo, J. Li, and A. Forbes, “Metrology with a twist: probing and sensing with vortex light”, Light: Science & Applications, 14(1), 4 (2025). https://doi.org/10.1038/s41377-024-01665-1
F. Pang, L. Xiang, H. Liu, L. Zhang, J. Wen, X. Zeng, and T. Wang, “Review on fiber-optic vortices and their sensing applications”, Journal of Lightwave Technology, 39(12), 3740 (2021). https://opg.optica.org/jlt/abstract.cfm?URI=jlt-39-12-3740
S.K. Noor, M.N.M. Yasin, A.M. Ismail, M.N. Osman, P.J. Soh, N.Ramli, and A.H. Rambe, “A review of orbital angular momentum vortex waves for the next generation wireless communications”, Ieee Access, 10, 89465 (2022). https://doi.org/10.1109/ACCESS.2022.3197653
D. Bongiovanni, D. Li, M. Goutsoulas, H. Wu, Y. Hu, D. Song, and Z. Chen, “Free-space realization of tunable pin-like optical vortex beams”, Photonics Research, 9(7), 1204 (2021). https://doi.org/10.1364/PRJ.420872
G. Wang, X. Weng, X. Kang, Z. Li, K. Chen, X. Gao, and S. Zhuang, “Free-space creation of a perfect vortex beam with fractional topological charge”, Optics Express, 31(4), 5757 (2023). https://doi.org/10.1364/OE.483304
Z. Shen, and S. Huang, “Generation of subdiffraction optical needles by simultaneously generating and focusing azimuthally polarized vortex beams through Pancharatnam–Berry metalenses”, Nanomaterials, 12(22), 4074 (2022). https://doi.org/10.3390/nano12224074
J. Chen, and Q. Xu, “Superlong uniform light tunnel created by focusing radially polarized vortex beam”, Journal of Applied Physics, 124, 4 (2018). https://doi.org/10.1063/1.5033926
P.B. Singh, and B. Kumar, “Formation of subwavelength tunable flat-top focus with double foci characteristic by tightly focused cylindrical vector beams”, Optics Communications, 572, 130972 (2024). https://doi.org/10.1016/j.optcom.2024.130972
X. Zhang, Y. Xu, B. Hong, F. Zhang, A. Wang, and W. Zhao, “Generation of a focused THz vortex beam from a spintronic THz emitter with a helical Fresnel zone plate”, Nanomaterials. 13(14), 2037 (2023). https://doi.org/10.3390/nano1314203
X. Feng, X. Chen, Y. Lu, Q. Wang, L. Niu, Q. Xu, and W. Zhang, “Direct emission of focused terahertz vortex beams using Indium‐Tin‐Oxide‐based Fresnel zone plates”, Advanced Optical Materials, 11(1), 2201628 (2023). https://doi.org/10.1002/adom.202201628
M. Zhong, and J.S. Li, “Terahertz vortex beam and focusing manipulation utilizing a notched concave metasurface”, Optics Communications, 511, 127997 (2022). https://doi.org/10.1016/j.optcom.2022.127997
H. Li, C. Zheng, H. Xu, J. Li, C. Song, F. Yang, and J. Yao, “All-graphene geometric terahertz metasurfaces for generating multi-dimensional focused vortex beams”, Opt. Laser Technol, 159, 108986 (2023). https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2022.108986
J. Farhoomand, and H.M. Pickett, “Stable 1.25 watts CW far infrared laser radiation at the 119 μm methanol line”, Int. J. Infrared Millim. Waves, 8, 441 (1987). https://doi.org/10.1007/BF01013257
M.W. Beijersbergen, R.P.C. Coerwinkel, M. Kristensen, and J.P. Woerdman, “Helical-wavefront laser beams produced with a spiral phase plate”, Opt. Commun., 112(5-6), 321 (1994). https://doi.org/10.1016/0030-4018(94)90638-6
A.V. Ustinov, S.N. Khonina, P.A. Khorin, and A.P. Porfirev, “Control of the intensity distribution along the light spiral generated by a generalized spiral phase plate”, Journal of the Optical Society of America B, 38(2), 420 (2021). https://doi.org/10.1364/JOSAB.408884
V.V. Kotlyar, and A.A. Kovalev, “Nonparaxial propagation of a Gaussian optical vortex with initial radial polarization”, J. Opt. Soc. Am. A, 27(3), 372 (2010). https://doi.org/10.1364/JOSAA.27.000372
B. Gu, and Y. Cui, “Nonparaxial and paraxial focusing of azimuthal-variant vector beams”, Opt. Express, 20(16), 17684 (2012). https://doi.org/10.1364/OE.20.017684
Y. Zhang, L. Wang, and C. Zheng, “Vector propagation of radially polarized Gaussian beams diffracted by an axicon”, J. Opt. Soc. Am. A, 22(11), 2542 (2005). https://doi.org/10.1364/JOSAA.22.002542
E.A.J. Marcatilі, and R.A. Schmeltzer, “Hollow metallic and dielectric waveguides for long distance optical transmission and lasers”, Bell Syst. Tech. J., 43(4), 1783 (1964). https://doi.org/10.1002/j.1538-7305.1964.tb04108.x
J.F. Nye, and M.V. Berry, “Dislocations in wave trains”, Proceedings of the Royal Society of London. A. Mathematical and Physical Sciences, 336(1605), 165 (1974). https://doi.org/10.1098/rspa.1974.0012
H. Wang, Q. Song, Y. Cai, Q. Lin, X. Lu, H. Shangguan, Y. Ai, and S. Xu, “Recent advances in generation of terahertz vortex beams and their applications”, Chin. Phys. B, 29(9), 097404 (2020). https://doi.org/10.1088/1674-1056/aba2df
J.W. Goodman, Introduction to Fourier optics, (Roberts and Company Publishers, 2005).
O.V. Gurin, A.V. Degtyarev, N.N. Dubinin, M.N. Legenkiy, V.A. Maslov, K.I. Muntean, V.N. Ryabykh and V.S. Senyuta, “Formation of beams with nonuniform polarisation of radiation in a cw waveguide terahertz laser”, Quantum Electron., 51(4), 338 (2021). https://doi.org/10.1070/QEL17511
A.V. Degtyarev, M.M. Dubinin, O.V. Gurin, V.A. Maslov, K.I. Muntean, V.N. Ryabykh, V.S. Senyuta, “Control of tightly focused laser beams in the THz range”, Microwave and Optical Technology Letters, 63(11), 2888 (2021). https://doi.org/10.1002/mop.32946
A.V. Degtyarev, M.M. Dubinin, O.V. Gurin, V.A. Maslov, K.I. Muntean, V.M. Ryabykh, V.S. Senyuta, and O.O. Svystunov, “Control over higher-order transverse modes in a waveguide-based quasi-optical resonator”, Radio Physics and Radio Astronomy, 27(2), 129 (2022). https://doi.org/10.15407/rpra27.02.129
Цитування
Optical pin beams: research progress and emerging applications
Zhang Ze, Jiang Hongwei, Xiao Hongyue, Guan Meiling, Gao Lu, Efremidis Nikolaos K., Xiao Hairong & Chen Zhigang (2026) Photonics Insights
Crossref
Авторське право (c) 2025 Андрій В. Дегтярьов, Микола М. Дубінін, В'ячеслав О. Маслов, Костянтин І. Мунтян, Олег О. Свистунов
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
