Генерация векторных и вихревых пучков путем акустического возбуждения оптического волокна

Введение

В последние годы структурированные лазерные пучки привлекают все большее внимание. Благодаря особенностям экзотической пространственной поляризации и фазовой сингулярности они могут применяться STED-микроскопии, в качестве оптического пинцета, при нанообработке, для возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов, в нелинейной оптике, в квантовой оптике, в телекоммуникационных технологиях.  На сегодняшний день существует ряд методов для генерация подобных пучков в свободном пространстве, среди которых применение пространственных модуляторов света, спиральные фазовые пластины, q-пластины, метаповерхности, кремневые интегральные устройства. Наиболее распространенный метод – использование пространственных модуляторов света, поскольку они позволяют генерировать разнообразные структурированные пучки с произвольными распределениями фазы и поляризации.  Между тем, благодаря преимуществам передачи на большие расстояния с высокой пропускной способностью систем оптической связи, методы генерации структурированных пучков с использованием оптического волокна также быстро развиваются. Однако структурированные световые пучки в оптическом волокне являются векторным решением уравнения собственных значений, поэтому типы структурированных пучков в оптическом волокне не так многочисленны, как в свободном пространстве.

Типичными структурированными световыми пучками в оптическом волокне являются цилиндрические векторные пучки и оптические вихревые пучки, обладающие, соответственно, пространственной поляризацией и фазовой сингулярностью. К настоящему времени было предложено несколько методов генерации таких пучков в оптическом волокне с использованием волоконных решеток, полученных путем механического микроизгиба, лазерной записи и т.п. Эти подходы не позволяют осуществлять перестраивание длины волны для векторных и вихревых пучков, поскольку период элементов решетки фиксирован. Однако было показано, что перестройка длины волны и преобразование мод становятся возможными при использовании акустически индуцированной волоконной решетки. При генерации векторных пучков данным способом их состояние поляризации может переключаться между радиальным и азимутальным путем изменения направления исходной линейной поляризации излучения с применением полуволновой пластины. При генерации вихревых пучков переключением между противоположными топологическими зарядами вихря осуществляется с помощью четвертьволновой пластины.

Генерация векторных и вихревых пучков методом акустического возбуждения оптического волокна

Рисунок 1. Экспериментальная установка для генерации векторных и вихревых методом акустического возбуждения оптического волокна

Экспериментальная установка для генерации цилиндрических и вихревых пучков показана на рис. 1. Пучок, излучаемый лазером мощностью 20 мВт на длине волны 633 нм, проходит через поляризатор (P1) для получения горизонтальной линейной поляризации. Полуволновая пластина (HWP) используется в схеме для регулировки поляризации.  Далее линейно поляризованный свет мощностью 17 мВт вводится в маломодовое волокно (FMF) с помощью микрообъектива (MO1). Кроме того, для дальнейшего устранения влияния нежелательных векторных мод высокого порядка перед двумя акустически индуцированными волоконными решетками, используется стриппер мод (MS), который состоит из 7 витков волокна (FMF), намотанных на стержень диаметром 5 мм. На выходе из стриппера мод (MS) в сердцевине волокна сохраняется линейно поляризованной пучок мощностью 7 мВт. Оптическое волокно без оболочки, используемое в эксперименте, имело сердцевину с радиусом 4.5 мкм, оболочку с радиусом 62.5 мкм и ступенчатый профиль Δ = 0.32%. Диаметр оптического волокна для формирования акустически индуцированной решетки был вытравлен до 22 мкм с помощью соляной кислоты, что позволило отрегулировать резонансную длину волны в соответствии с условием фазового согласования и улучшить перекрытие между акустической и оптической волнами, тем самым повышалась эффективность акустического взаимодействия двух акустически индуцированных решеток в протравленном участке длиной 40 мм. Один конец волокна без оболочки был приклеен эпоксидной смолой до кончика акустического преобразователя, а другой конец был закреплен на зажимах для оптических волокон.

Путем настройки частоты управляющего высокочастотного сигнала, подаваемого на акустические преобразователи, и регулировки состояния входной поляризации наблюдается векторный или вихревой пучок. Излучение на выходе из волокна, коллимируется с помощью 40-кратного микрообъектива (MO2) и подается на ПЗС камеру (CCD1) для регистрации распределения интенсивности. Перед ПЗС камерой установлен поляризатор с возможностью извлечения из оптической схемы. Картины распределения интенсивности векторных пучков при различных поляризациях показаны на рис. 2.

Рисунок 2. Зарегистрированные картины распределения интенсинвности сгенерированных векторных пучков при отсутствии и наличии поляризатора перед ПЗС камерой: а) для азимутального состояния поляризации, b) для радиального состояния поляризации

Для генерации вихревого пучка с положительным топологическим зарядом управляющие высокочастотные сигналы одновременно подаются на акустические преобразователи. Как показано на рис. 3 (a1 и b1), распределения интенсивности, зарегистрированные ПЗС камерой (CCD1), обладают кольцевым очертанием.  Кроме того, сингулярность вихревого пучка проверяется в интерференционной схеме с линейно поляризованным Гауссовым пучком. При этом частота вихревого пучка первого порядка сдвинута на частоту акустической изгибной волны, поэтому опорный пучок не может быть напрямую взят от лазера. Часть выходного сигнала вихревого пучка от волокна (FMF) отражается с помощью неполяризационной светоделительной призмы (NPBS1) и подается в волокно 630 HP для преобразования вихревого пучка обратно в основную моду. Основная мода от волокна 630 HP сначала направляется в микрообъектив (MO3) для формирования параллельного пучка, а затем на поляризатор (P2) для преобразования состояния поляризации к линейному.  Поляризатор (P3) после светоделительной призмы (NPBS2) используется для преобразования круговой поляризации вихревого пучка в линейную поляризацию. Затем опорный пучок и линейно поляризованный вихревой пучок объединяются через светодельную призму (NPBS3) и подаются на ПЗС камеру (CCD2) для регистрации интерференционной картины (рис. 3 (а2 и b2)).  В качестве еще одного подтверждения формирования сингулярности в коаксиальной интерференции наблюдаются спиральные структуры, как показано на рис. 3 (a3 и b3), с противоположной хиральностью для левой и правой круговой поляризации.

Рисунок 3. Зарегистрированные картины распределения интенсивности, а также внеаксиальные и коаксиальные интерференционные картины: а) для вихревого пучка с положительным топологическим зарядом, b) для вихревого пучка с отрицательным топологическим зарядом

Заключение

В настоящей статье продемонстрирован метод генерации векторных и вихревых пучков в оптическом волокне, основанный на двух акустически индуцированных решетках с ортогональными направлениями колебаний. Эксперимент проводился на длине волны 633 нм, при которой была достигнута эффективность преобразования мод 94.5%. Описанный метод за счет электрического управления настраиваемыми характеристиками преобразования является удобным и эффективным.

Производители, оборудование которых может быть использовано для реализации описанного эксперимента

• Оптические волокна CorActive, Nufern, Thorlabs
• Микрообъективы Edmund Optics, OptoSigma, Mitutoyo, Thorlabs
• ПЗС камеры Thorlabs, Edmund Optics
• Неполяризационные светоделительные призмы Thorlabs, Edmund Optics, OptoSigma
• Оптомеханические компоненты Thorlabs, Standa, OptoSigma, Edmund Optics
• Оптические столы Thorlabs, Standa, TMC

Opt. Express 25, 3 (2017) 2733

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции CorActive, Nufern, Thorlabs, Edmund Optics, OptoSigma, Mitutoyo, Standa, TMC на территории РФ