Spatial–phase dynamics of radially polarized terahertz vortex beams

DOI: https://doi.org/10.26565/2311-0872-2025-43-04
Keywords: vortex beams, terahertz laser, dielectric resonator, modes, spiral phase plate, radial polarization, free-space propagation

Abstract

Актуальність. У роботі розглядається задача непараксіальної дифракції вихрових лазерних пучків терагерцового діапазону, збуджених радіально поляризованими TM0m (m = 1, 2, 3) модами діелектричного хвилевідного резонатора. Вихрові пучки ТГц-лазерів мають значний потенціал для застосування в зображенні, спектроскопії, неруйнівній діагностиці, зондуванні матеріалів, та у високочастотних системах зв’язку. Дослідження особливостей формування просторової структури таких пучків після взаємодії зі спіральною фазовою пластиною є важливим для підвищення керованості ТГц-випромінювання.

Мета роботи  —  встановлення фізичних закономірностей непараксіальної дифракції радіально поляризованих пучків терагерцового лазера, сформованих TM0m (m = 1, 2, 3) модами, після їх взаємодії зі спіральною фазовою пластиною з різними топологічними зарядами n.

Матеріали та методи. Для моделювання поширення пучків використано векторну теорію Релея–Зоммерфельда у непараксіальному наближенні. У початковій площині задавалися TM0m моди порожнистого круглого діелектричного хвилеводу, а спіральна фазова пластина з довільним топологічним зарядом забезпечувала формування вихрової структури поля. Досліджувалися розподіли інтенсивності, фазові профілі та внесок окремих компонент електричного поля в сумарну потужність пучка.

Результати. Встановлено, що поперечна структура вихрових пучків, збуджених TM0m модами, визначається топологічним зарядом спіральної фазової пластини: при n = 0 та n = 2 формується кільцева інтенсивність, тоді як при n = 1 максимум поля розташовується на осі. Використання спіральної фазової пластини призводить до появи азимутальної компоненти поля, внесок якої у повну потужність є незначним. Максимальні значення інтенсивності відповідають топологічному заряду n = 1, тоді як при n = 2 ці значення зменшуються. Фазові розподіли мають однопелюсткову структуру для n = 1 та двопелюсткову для n = 2.

Висновки. Теоретично встановлено фізичні закономірності просторово-енергетичних характеристик вихрових лазерних пучків терагерцового діапазону, збуджених радіально поляризованими модами TM0m діелектричного хвилевідного резонатора при їх поширенні у вільному просторі. Визначено особливості внеску окремих компонент електричного поля у сумарну потужність випромінювання та встановлено характерні закономірності зміни інтенсивності та фазових структур для різних порядків мод та зарядів n.

Downloads

Download data is not yet available.

Author Biographies

A. V. Degtyarev, V. N. Karazin Kharkiv National University

4, Svobody Square, Kharkiv, 61022, Ukraine

М. М. Dubinin, V. N. Karazin Kharkiv National University

4, Svobody Square, Kharkiv, 61022, Ukraine

V. A. Maslov, V. N. Karazin Kharkiv National University

4, Svobody Square, Kharkiv, 61022, Ukraine

References

Rieh Jae-Sung. Introduction to Terahertz Electronics. Springer International Publishing, 2021. https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-030-51842-4

Wang R., Hao R., Li D. et al. Multifunctional terahertz biodetection enabled by resonant metasurfaces. Advanced Materials. 2025. 37, No 16. P. 2418147. https://doi.org/10.1002/adma.202418147

Wang, B., Wang, H., Bao, Y. et al. Sustainable materials enabled terahertz functional devices. Nano-Micro Lett. 2025. 17. P. 212. https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-025-01732-1

Guo C., Xu W., Cai M. et al. A review: application of terahertz nondestructive testing technology in electrical insulation materials. IEEE Access. 2022. 10. P. 121547–121560. https://doi: 10.1109/ACCESS.2022.3222860

Greenall N., Valavanis A., Desai H. J. et al. The development of a Semtex-H simulant for terahertz spectroscopy. Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. 2017. 38, No 3. P. 325–338. https://doi.org/10.1007/s10762-016-0336-z

Ouaras K., Righetti F., Cappelli M. A. Broadband cw-terahertz spectroscopy for characterizing reactive plasmas. Journal of Physics D: Applied Physics. 2019. 52, No 19. P. 195202. https://doi.org/10.1088/1361-6463/ab085e

Jiang W, Zhou Q, He J. et al. Terahertz communications and sensing for 6G and beyond: A comprehensive review. IEEE Communications Surveys & Tutorials. 2024. 26, No 4. P. 23262381. https://doi.org/10.1109/COMST.2024.3385908

Fu Shiyao, Gao Chunqing. Optical vortex beams. 2023, Springer. https://doi.org/10.1007/978-981-99-1810-2

Yuanjie Yang, Cheng-Wei Qiu, Ke X., Wang J. Generation, transmission, detection, and application of vortex beams. 2023. 447. Singapore: Springer. https://doi.org/10.1007/978-981-99-0074-9

Zhang Q., He Z., Xie Z. et al. Diffractive optical elements 75 years on: from micro-optics to metasurfaces. Photonics Insights. 2023. 2, No 4. P. R09R09. https://doi.org/10.3788/PI.2023.R09

Wang J., Wan Z., Li, K., Zhang Y. Optical vortex lasers. Optics Express, 2025. 33, No 11. P. 2271122744. https://doi.org/10.1364/OE.555913

Juppet L., Khabbaz A., Lampin JF., Pirali O. Terahertz molecular water laser using quantum cascade laser pumping. Journal of Applied Physics. 2023. 134, No 24. P. 243101. https://doi.org/10.1063/5.0177191

Sharma S., Singya PK., Deka K. et al. Terahertz communication: State-of-the-art and future directions. IEEE Open Journal of the Communications Society. 2025. 6. P. 6281-6322. https://doi.org/10.1109/OJCOMS.2025.3592365

Zhang K., Wang Y., Yuan Y., Burokur S. N. A review of orbital angular momentum vortex beams generation: from traditional methods to metasurfaces. Applied sciences. 2020. 10, No 3. P. 1015.

Cui X., Wang C., Jia X. Nonparaxial propagation of vector vortex beams diffracted by a circular aperture. Journal of the Optical Society of America A. 2019. 36, No 1. P. 115123. https://doi.org/10.1364/JOSAA.36.000115

Jia X, Yang Y, Lu J. Nonparaxial analyses of cylindrical vector beams with arbitrary polarization order in the far field. Journal of Modern Optics. 2016. 63, No 16. P. 15441551. https://doi.org/10.1080/09500340.2016.1160156

Marcatili EAJ, Schmeltzer R. A. Hollow metallic and dielectric waveguides for long distance optical transmission and lasers. Bell System Technical Journal. 1964. 43, No 4. P. 17831809. https://doi.org/10.1002/j.1538-7305.1964.tb04108.x

Nye JF, Berry MV. Dislocations in wave trains. Proceedings of the Royal Society of London. A. Mathematical and Physical Sciences. 1974. 336, No 1605. P. 165190. https://doi.org/10.1098/rspa.1974.0012

Wang H., Song Q., Cai Y. et al. Recent advances in generation of terahertz vortex beams and their applications. Chinese Physics B. 2020. 29, No 9. P. 097404. https://doi.org/10.1088/1674-1056/aba2df

Gurin OV., Degtyarev AV., Dubinin NN. et al. Formation of beams with nonuniform polarisation of radiation in a cw waveguide terahertz laser. Quantum Electron. 2021. 51, No. 4. P. 338. https://doi.org/10.1070/QEL17511

Published
2025-12-30
Cited
How to Cite
Degtyarev, A. V., DubininМ. М., & Maslov, V. A. (2025). Spatial–phase dynamics of radially polarized terahertz vortex beams. Visnyk of V.N. Karazin Kharkiv National University, Series “Radio Physics and Electronics”, (43), 45-54. https://doi.org/10.26565/2311-0872-2025-43-04
Issue
No. 43 (2025): Visnyk of V.N. Karazin Kharkiv National University, series “Radio Physics and Electronics”
Section
Original Article
Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.