Тип публикации: отчёт о НИР
Год издания: 2021
Ключевые слова: эффект Тальбота, фазовый квазисинхронизм, генерация второй гармоники, пространственная модуляция света, орбитальный угловой момент, нелинейный фотонный кристалл, раманновская среда, индуцированные решетки, ультракороткие импульсы
Аннотация: 1. Рассмотрена генерация второй гармоники в условиях эффекта Тальбота. Теоретически и экспериментально показано, что генерируемое излучение второй гармоники представляет собой самоизображения исходной маски. Данный подход открывает новые возможности для нелинейно-оптического структурирования волнового фронта световых полей.?2. АктуПоказать полностьюальной задачей оптики и фотоники является формирование регулярных массивов оптических вихрей, характеризующихся фазовыми сингулярностями с определенным топологическим зарядом. Возможным решением указанной задачи является использование эффекта Тальбота, под которым принято понимать дифракционное самовоспроизведение изображения периодического объекта на расстояниях кратных длине Тальбота. В рамках проекта теоретически рассмотрено и экспериментально продемонстрировано формирование световых решёток из оптических вихрей на двумерной амплитудной решётке, освещаемой вихревыми лазерными пучками с различными топологическими зарядами. Распределение светового поля за решёткой характеризуется периодичностью по трём пространственным координатам, происхождение которой объяснено эффектом Тальбота. Световое поле в плоскостях Тальбота представляет собой пространственно-периодическую структуру с количеством структурных элементов трансляции (элементарных ячеек), совпадающим с числом отверстий в решётке. Каждый элемент содержит фазовые сингулярности, при этом интенсивность в пределах элементарных ячеек имеет асимметричное угловое распределение в окрестности точки сингулярности. При смене знака топологического заряда падающего света, наблюдаемая картина инвертируется. Установлено, что суммарный топологический заряд светового поля, ограниченного областью объекта, в точности соответствует топологическому заряду падающего излучения. В работе получены оптические решётки с размерностью 40×40×5 узлов, содержащие 8000 узлов. Обнаружено зарождение оптических вихрей, их пространственная миграция и аннигиляция в пределах оптической решётки.?По результатам работы подготовлена и опубликована статья "3D Optical Vortex Lattices" [Annalen Der Physik. 533, 2100114 (2021)]. Визуализация трехмерной оптической решетки из работы авторов выбрана в качестве иллюстрации на обложку выпуска журнала Annalen Der Physik – авторитетнейшего и, одного из старейших, физических журналов (https://onlinelibrary.wiley.com/toc/15213889/2021/533/7).?3. Предложен и изучен эффект Тальбота при дифракция Френеля селективно отраженной пробной волны на границе раздела диэлектрик–атомарная среда в условиях рамановского взаимодействии пробного поля со стоячей волной накачки, сформированной вдоль границы раздела. В указанных условиях коэффициент отражения является периодической функцией координаты вдоль границы раздела. Когда пробное поле распространяется нормально к границе раздела, указанная структура может работать как отражательная дифракционная решетка. Параметрами такой решетки можно управлять, изменяя интенсивность, рамановскую отстройку от двухфотонного резонанса или период стоячей волны. Пространственное распределение дифракционных картин в плоскости наблюдения существенно зависит от расстояния до границы раздела сред, интенсивности поля накачки, рамановской отстройки и периода стоячей волны накачки. Показано, что в ближней дифракционной области имеет место эффект подобный эффекту Тальбота. На расстоянии, равном длине Тальбота ZT и 1/2ZT, дифракционные картины являются обычными изображениями Тальбота, но при 1/2ZT, дифракционные паттерны смещены на полупериод. В дробных плоскостях 1/3ZT и 1/4ZT также наблюдаются периодические дифракционные картины с периодом, равным периоду стоячей волны, но их пространственное распределение кардинально отличается от распределения поля на границе раздела и зависит от поля накачки и рамановской отстройки. Они не являются изображениями пробного поля на границе раздела, но дифракционные паттерны периодически повторяются. Интенсивность дифракционных картин селективно отраженной волны может быть значительно больше, чем в случае решетки на основе электромагнитно индуцированной прозрачности.?4. Развит универсальный метод синтеза бинарных фазовых голограмм для формирования массивов пучков оптических вихрей с заданными топологическими зарядами, пространственными частотами и относительной интенсивностью. Основу метода составляет расчет функции суперпозиции гармонических функций, в которые параметрически входят топологический заряд и пространственная частота, соответствующего оптического вихревого пучка. Указанный подход не использует обратное Фурье преобразование и позволяет получать произвольные массивы оптических вихрей с заданными топологическими зарядами, которые не могут быть получены с помощью обычных вилкообразных решеток. Теоретически предсказано и экспериментально подтверждено, что в данном подходе топологический заряд отдельных оптических вихрей, генерируемых с помощью бинарных фазовых голограмм, может быть предопределен на заданной пространственной частоте при освещении бинарной фазовой голограммы лазерным пучком с нулевым топологическим зарядом. Результаты расчетов подтверждаются экспериментальными данными, в том числе интерферометрическими измерениями. Экспериментально показана возможность синтезирования сложных световых полей.??В текущем отчетном периоде опубликованы и подготовлены следующие работы:?1. D.A. Ikonnikov, S.A. Myslivets, V.G. Arkhipkin, A.M. Vyunishev, 3D Optical Vortex Lattices, Annalen der Physik 533, 2100114 (2021).?2. D.A. Ikonnikov, V.A. Fokin, A.M. Vyunishev, Binary phase holograms for synthesizing complex optical vortex arrays, Optics and Lasers in Engineering, направлена в печать.?3. S.A. Myslivets, V.G. Arkhipkin, Talbot effect of selective reflection from an induced Raman grating, Physical Review А, подготовлена рукопись.