Поширення вихрових лазерних пучків металевого резонатора
Анотація
Актуальність. Розглядається задача поширення випромінення вихрових лазерних пучків, сформованих модами металевого хвилевідного резонатора. Результати розрахунків поширення таких пучків мають широкий спектр потенційних застосувань, від отримання ТГц зображень і спектроскопії до зв’язку, зондування, біомедицини та розв’язання задач, які пов’язані з взаємодією електромагнітних хвиль з речовиною: діагностика тонких плівок, поверхні матеріалів, різних біологічних об’єктів, а також астрономії та космічних досліджень.
Мета роботи — отримати аналітичні вирази для опису непараксіальної дифракції мод хвилевідного металевого резонатора терагерцевого лазера при їх взаємодії зі спіральною фазовою пластинкою та шляхом чисельного моделювання вивчити фізичні особливості отриманих вихрових пучків при їх поширенні у вільному просторі.
Матеріали та методи. Для дослідження поширення у зоні Френеля вихрових лазерних пучків, які збуджувались модами металевого хвилевідного квазіоптичного резонатора, була використана векторна теорія Релея-Зоммерфельда.
Результати. Для опису непараксіальної дифракції мод металевого хвилевідного резонатора терагерцового лазера одержані аналітичні вирази. Також за допомогою чисельного моделювання досліджено фізичні особливості виникаючих вихрових пучків при їх поширенні у вільному просторі.
Висновки. У вільному просторі спіральна фазова пластина для збуджуючої моди TE11 з профілю з максимумом інтенсивності в центрі (n = 0) утворює асиметричне кільце з двома максимумами (n = 1, 2). Для збуджуючої моди TE01 початкова кільцева (n = 0) структура напруженості поля трансформується в структуру з максимальною інтенсивністю випромінювання в центрі (n = 1), а потім знову в кільцеву (n = 2). Фазовий фронт променю для компоненти Ey лінійно поляризованої вздовж осі y моди TE11 змінюється від сферичного до спірального з однією точкою сингулярності на осі. У фазовому профілі поперечних складових азимутально поляризованої моди TE01 з’являється ділянка з двома та трьома позаосьовими точками фазових сингулярностей.
Завантаження
Посилання
Headland DY, Monnai Abbott D, Fumeaux C, Withayachumnankul W. Tutorial: Terahertz beamforming, from concepts to realizations. Apl. Photonics. 2018 3: 051101. https://doi.org/10.1063/1.5011063
Forbes A. Advances in orbital angular momentum lasers. J. Light. Technol. 2023; 41: 2079. https://doi.org/10.1109/JLT.2022.3220509
Wang HQ, Song, Cai Y, Lin Q, Lu X, Shangguan H, Ai Y, Xu S. Recent advances in generation of terahertz vortex beams and their applications., Chin. Phys. B. 2020; 29: 097404. https://doi.org/10.1088/1674-1056/aba2df
Petrov NV, Sokolenko B, Kulya MS, Gorodetsky A, Chernykh AV. Design of broadband terahertz vector and vortex beams: I. Review of materials and components. Light: Advanced Manufacturing. 2022; 3(640). https://doi.org/10.37188/lam.2022.043
Nagatsuma T, Ducournau G, Renaud C. Advances in terahertz communications accelerated by photonics. Nat. Photonics. 2016; 10(371). https://doi.org/10.1038/nphoton.2016.65
Chen SC, Feng ZZ, Li J, Tan W, Du LH, Cai J, Zhu LG. Ghost spintronic THz-emitter-array microscope. Light Sci. Appl. 2020; 9(99). https://doi.org/10.1038/s41377-020-0338-4
Nobahar D, Khorram S. Terahertz vortex beam propagation through a magnetized plasma-ferrite structure. Opt. Laser Technol. 2022; 146:107522. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2021.107522
Hibberd MT, Healy AL, Lake DS, Georgiadis V, Smith EJH, Finlay OJ, Jamison SP. Acceleration of relativistic beams using laser generated terahertz pulses. Nat. Photonics. 2019; 14(755). https://doi.org/10.1038/s41566-020-0674-1
Klug A, Nape I, Forbes A. The orbital angular momentum of a turbulent atmosphere and its impact on propagating structured light fields. New J. Phys. 2021; 23: 093012. https://doi.org/10.1088/1367-2630/ac1fca
Pinnock SW, Roh S, Biesner T, Pronin AV, Dressel M. Generation of THz vortex beams and interferometric determination of their topological charge. IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 2022; 13(44). https://doi.org/10.1109/TTHZ.2022.3221369
Rubano A, Cardano F, Piccirillo B, Marrucci L. Q-plate technology: a progress review [Invited]. J. Opt. Soc. Am. B. 2019; 36 (D70-D87). https://doi.org/10.1364/JOSAB.36.000D70
Imai R, Kanda N, Higuchi T, Konishi K, Kuwata-Gonokami M. Generation of broadband terahertz vortex beams. Opt. Lett. 2014; 39(3714). https://doi.org/10.1364/OL.39.003714
Yang Y, Ye X, Niu L, Wang K, Yang Z, Liu J. Generating terahertz perfect optical vortex beams by diffractive elements. Opt. Express. 2020; 28(1417). https://doi.org/10.1364/OE.380076
Zhang K, Wang Y, Burokur SN, Wu Q. Generating dual-polarized vortex beam by detour phase: from phase gradient metasurfaces to metagratings. IEEE Trans. Microw. Theory Techn. 2022; 70(200). https://doi.org/10.1109/TMTT.2021.3075251
Zhang XD, Su YH, Ni JC, Wang ZY, Wang YL, Wang CW, Chu JR. Optical superimposed vortex beams generated by integrated holographic plates with blazed grating. Appl. Phys. Lett. 2017; 111: 061901. https://doi.org/10.1063/1.4997590
Ge SJ, Shen ZX, Chen P, Liang X, Wang XK, Hu W, Zhang Y, Lu YQ. Generating, separating and polarizing terahertz vortex beams via liquid crystals with gradient-rotation directors. Crystals. 2017; 7(314). https://doi.org/10.3390/cryst7100314
Guan S, Cheng J, Chang S. Recent progress of terahertz spatial light modulators: materials, principles and applications. Micromachines. 2022; 13(1637). https://doi.org/10.3390/mi13101637
Al Dhaybi A, Degert J, Brasselet E, Abraham E, Freysz E. Terahertz vortex beam generation by infrared vector beam rectification. J. Opt. Soc. Am. B. 2019; 36(12). https://doi.org/10.1364/JOSAB.36.000012
Miyamoto K, Sano K, Miyakawa T, Niinomi H, Toyoda K, Vallés A, Omatsu T. Generation of high-quality terahertz OAM mode based on soft-aperture difference frequency generation. Opt. Express. 2019; 27: 31840. https://doi.org/10.1364/OE.27.031840
Sobhani H, Dadar E. Terahertz vortex generation methods in rippled and vortex plasmas. J. Opt. Soc. Am. A. 2019; 36(1187). https://doi.org/10.1364/JOSAA.36.001187
Chevalier P, Amirzhan A, Wang F, Piccardo M, Johnson SG, Capasso F, Everitt HO. Widely tunable compact terahertz gas lasers. Science. 2019; 366(856). https://doi.org/10.1126/science.aay8683
Farhoomand J, Pickett HM. Stable 1.25 watts CW far infrared laser radiation at the 119 μm methanol line. Int. J. Infrared Millim. Waves. 1987; 8(441). https://doi.org/10.1007/BF01013257
Röser HP, Yamanaka M, Wattenbach R, Schultz GV. Investigations of optically pumped submillimeter wave laser modes. Int. J. Infrared Millim. Waves. 1982; 3(839). https://doi.org/10.1007/BF01008649
Beijersbergen MW, Coerwinkel RPC, Kristensen M, Woerdman JP. Helical-wavefront laser beams produced with a spiral phase plate. Opt. Commun. 1994; 112(321). https://doi.org/10.1016/0030-4018(94)90638-6
Kotlyar VV, Kovalev AA. Nonparaxial propagation of a Gaussian optical vortex with initial radial polarization. J. Opt. Soc. Am. A. 2010; 27(372). https://doi.org/10.1364/JOSAA.27.000372
Gu B, Cui Y. Nonparaxial and paraxial focusing of azimuthal-variant vector beams. Opt. Express. 2012; 20: 17684. https://doi.org/10.1364/OE.20.017684
Zhang Y, Wang L, Zheng C. Vector propagation of radially polarized Gaussian beams diffracted by an axicon. J. Opt. Soc. Am. A. 2005; 22(2542). https://doi.org/10.1364/JOSAA.22.002542
Gurin OV, Degtyarev AV, Maslov VA, Svich VA, Tkachenko VM, Topkov AN. Selection of transverse modes in laser cavities containing waveguides and open parts. Quantum Electron. 2001; 31(346). https://doi.org/10.1070/QE2001v031n04ABEH001949
Nye JF, Berry MV. Dislocations in wave trains. Proceedings of the Royal Society of London. A. Mathematical and Physical Sciences. 1974; 336(165). https://doi.org/10.1098/rspa.1974.0012
Gurin OV, Degtyarev AV, Dubinin MM, Legenkiy MN, Maslov VA, Muntean KI, Ryabykh VN, Senyuta VS. Formation of beams with nonuniform polarisation of radiation in a cw waveguide terahertz laser. Quantum Electron. 2021; 51(338). https://doi.org/10.1070/QEL17511
Degtyarev AV, Dubinin MM, Gurin OV, Maslov VA, Muntean KI, Ryabykh VM, Senyuta VS, Svystunov OO. Control over higher-order transverse modes in a waveguide-based quasi-optical resonator. Radio Physics and Radio Astronomy. 2022; 27(129). https://doi.org/10.15407/rpra27.02.129
