Поширення азімутально поляризованих терагерцових лазерних пучків з фазовою сингулярністю
Анотація
Отримано аналітичні вирази для опису непараксіальної дифракції мод діелектричного хвилевідного резонатора терагерцового лазера. Дослідження передбачає взаємодію між азимутально поляризованими TE0m (m = 1, 2, 3) модами та спіральною фазовою пластиною (СФП) з урахуванням її різних топологічних зарядів (n). За допомогою чисельного моделювання досліджено фізичні особливості вихрових пучків, що виникають, коли вони поширюються у вільному просторі. Векторні інтегральні перетворення Релея-Зоммерфельда використовуються для дослідження поширення у зоні Френеля вихрових лазерних пучків, збуджених TE0m модами діелектричного хвилевідного квазіоптичного резонатора, при падінні на спіральну фазову пластину. Для досліджуваних мод за відсутності фазової пластини поле характеризується кільцевим поперечним розподілом інтенсивності на осі поширення. При цьому кількість кілець у поперечному перерізі відповідає азимутальному номеру мод, а розподіли фази для компонент даних мод мають протилежні знаки. Застосування СФП з топологічним зарядом n = 1 змінює структуру поля пучків, формуючи осьовий максимум в поперечному профілі зі збільшенням діаметра пучка у даному максимумі у порівнянні з випадком відсутності фазової пластини. Водночас фазова структура для поперечних компонент набуває двопелюсткової симетрії. При використанні СФП з топологічним зарядом
n = 2 для ТЕ01 моди спостерігається відновлення кільцеподібної структури поля, а для ТЕ02 та ТЕ03 мод – формування областей підвищеної інтенсивності. Фазовий розподіл для компонент поля в цьому випадку для ТЕ01 і ТЕ02 мод набуває трьохпелюсткової спіральної структури, а для ТЕ03 моди - багатопелюсткової спіральної конфігурації.
Завантаження
Посилання
J. Freeman, E. Linfield, and A.G. Davies, “Terahertz frequency electronics and photonics: materials and devices,” Philosophical Transactions, 383(2296), 20230378 (2025). https://doi.org/10.1098/rsta.2023.0378
A. Rogalski, “Progress in performance development of room temperature direct terahertz detectors,” Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, 43(9), 709 (2022). https://doi.org/10.1007/s10762-022-00882-2
A. Leitenstorfer, A.S. Moskalenko, T. Kampfrath, et al., “The 2023 terahertz science and technology roadmap,” Journal of Physics D: Applied Physics, 56(22), 223001 (2023). https://doi.org/10.1088/1361-6463/acbe4c
D. Headland, Y. Monnai, D. Abbott, C. Fumeaux, and W. Withayachumnankul, “Tutorial: Terahertz beamforming, from concepts to realizations, ” Apl Photonics, 3(5), 051101 (2018). https://doi.org/10.1063/1.5011063
A. Siemion, “Terahertz diffractive optics-smart control over radiation,” Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, 40(5), 477 (2019). https://doi.org/10.1007/s10762-019-00581-5
A. Forbes, “Advances in orbital angular momentum lasers,” Journal of Lightwave Technology, 41(7), 2079 (2022). https://doi.org/10.1109/JLT.2022.3220509
H. Hao, H. Xiaoxue, G. Liping, X. Sixing, and W. Xiaolei, “Research progress of terahertz vector beams,” Opto-Electronic Engineering, 51(8), 240071 (2024). https://doi.org/10.12086/oee.2024.240071
J. He, T. Dong, B. Chi, and Y. Zhang, “Metasurfaces for terahertz wavefront modulation: a review,” Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, 41(6), 607 (2020). https://doi.org/10.1007/s10762-020-00677-3
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. Lamberg, F. Zarrinkhat, A. Tamminen, M. Baggio, J. Ala-Laurinaho, J. Rius, J. Romeu, E.E. Khaled, and Z. Taylor, “Wavefront-modified vector beams for THz cornea spectroscopy,” Optics Express, 31(24), 40293 (2023). https://doi.org/10.1364/OE.494460
S. Hu, L. Wei, Y. Long, S. Huang, B. Dai, L. Qiu, S. Zhuang, and D. Zhang, “Longitudinal polarization manipulation based on all-dielectric terahertz metasurfaces,” Optics Express, 32(5), 6963 (2024). https://doi.org/10.1364/OE.514410
H. Zhao, X. Wang, S. Liu, and Y. Zhang, “Highly efficient vectorial field manipulation using a transmitted tri-layer metasurface in the terahertz band,” Opto-Electronic Advances, 6(2), 220012 (2023). https://doi.org/10.29026/oea.2023.220012
J. Wätzel, J. Berakdar, and E.Y. Sherman, “Ultrafast entanglement switching and singlet–triplet transitions control via structured terahertz pulses, ” New Journal of Physics, 24(4), 043016 (2022). https://doi.org/10.1088/1367-2630/ac608a
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
X. Wang, Z. Nie, Y. Liang, J. Wang, T. Li, and B. Jia, “Recent advances on optical vortex generation,” Nanophotonics, 7(9), 1533 (2018). https://doi.org/10.1515/nanoph-2018-0072
A.A. Paraipan, D. Gonzalez‐Hernandez, I.V. Reddy, G. Balistreri, L. Zanotto, M. Shalaby, R. Morandotti, C. Liberale, and
L. Razzari “Scanless spectral imaging of terahertz vortex beams generated by high‐resolution 3d‐printed spiral phase plates,” Small Science, 4(12), 2400352 (2024). https://doi.org/10.1002/smsc.202400352
K. Miyamoto, K. Suizu, T. Akiba, and T. Omatsu, “Direct observation of the topological charge of a terahertz vortex beam generated by a Tsurupica spiral phase plate,” Applied Physics Letters, 104(26), 261104 (2014). https://doi.org/10.1063/1.4886407
D.T. Hodges, and T.S. Hartwick, “Waveguide laser for the far infrared (FIR) pumped by a CO2 laser, ” Applied Physics Letters, 23(5), 252 (1973). https://doi.org/10.1063/1.1654878
P. Chevalier, A. Armizhan, F. Wang, M. Piccardo, S.G. Johnson, F. Capasso, and H.O. Everitt, “Widely tunable compact terahertz gas lasers,” Science, 366(6467), 856 (2019). https://doi.org/10.1126/science.aay8683
A. Amirzhan, P. Chevalier, J. Rowlette, H.T. Stinson, M. Pushkarsky, T. Day, H.O. Everitt, and F. Capasso, “A quantum cascade laser-pumped molecular laser tunable over 1 THz,” APL Photonics, 7(1), 016107 (2022). https://doi.org/10.1063/5.0076310
M.-H. Mammez, Z. Buchanan, O. Pirali, et al., “Optically pumped terahertz molecular laser: Gain factor and validation up to 5.5 THz,” Adv. Photonics Res., 3(4), 2100263 (2022). https://doi.org/10.1002/adpr.202100263
R.L. Abrams, and A.N. Chester, “Resonator theory for hollow waveguide lasers,” Applied Optics, 13(9), 2117 (1974). https://doi.org/10.1364/AO.13.002117
G. Li, D. Wang, L. Fang, Z. Ran, and Q. Yan, “Improvement to beam quality of optically pumped terahertz gas lasers with hole-coupling resonators,” Optical Engineering, 58(2), 026104 (2019) https://doi.org/10.1117/1.OE.58.2.026104
O.V. Gurin, А.V. Degtyarev, M.N. Legenkiy, V.A. Maslov, V.A. Svich, V.S. Senyuta, and A.N. Topkov, “Generation of transverse modes with azimuthal polarization in a terahertz band waveguide laser,” Telecommunications and radio engineering, 73(20), 1819 (2014). https://doi.org/10.1615/TelecomRadEng.v73.i20.30
H. Zhou, X. Su, A. Minoofar, et al., “Utilizing multiplexing of structured THz beams carrying orbital-angular-momentum for high-capacity communications,” Optics Express, 30(14), 25418 (2022). https://doi.org/10.1364/OE.459720
H. Wang, and R. Piestun, “Azimuthal multiplexing 3D diffractive optics,” Scientific Reports, 10(1), 6438 (2020). https://doi.org/10.1038/s41598-020-63075-8
H. Ren, X. Li, and M. Gu, “Polarization-multiplexed multifocal arrays by a π-phase-step-modulated azimuthally polarized beam,” Optics Letters, 39(24), 6771 (2014). https://doi.org/10.1364/OL.39.006771
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
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
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.O. 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), 49 (2022). https://doi.org/ 10.15407/rpra22.02.49
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, Вячеслав О. Маслов, Костянтин І. Мунтян, Владислав С. Сенюта
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).
