Wavefront reconstruction of an optical vortex by a Hartmann-Shack sensor

Starikov, F. A.; Кочемасов, Г. Г.; Kulikov, S. M.; Manachinsky, A. N.; Маслов, Н. В.; Ogorodnikov, A. V.; Sukharev, S. A.; Aksenov, V. P.; Izmaǐlov, I. A.; Kanev, F. Yu.; Atuchin, Victor V.; Soldatenkov, I. S.

doi:10.1364/ol.32.002291

Cited by 70 publications

(35 citation statements)

References 14 publications

Supporting

Mentioning

Contrasting

Unclassified

Order By: Relevance

“…More details are presented in Supplementary Section S5. As a final proof we measured the wavefront of the XUV beam 21 with a Hartmann sensor. Similar experiments in the optical range have shown that the wavefront should wind up like a screw around the singularity in the centre 22 .…”

mentioning

confidence: 99%

Strong-field physics with singular light beams

et al. 2012

View full text Add to dashboard Cite

Light beams carrying a point singularity with a screw-type phase distribution are associated with an optical vortex. The corresponding momentum flow leads to an orbital angular momentum of the photons 1-3 . The study of optical vortices has led to applications such as particle micro-manipulation 4,5 , imaging 6 , interferometry 7 , quantum information 8 and highresolution microscopy and lithography 9 . Recent analyses showed that transitions forbidden by selection rules seem to be allowed when using optical vortex beams 10 . To exploit these intriguing new applications, it is often necessary to shorten the wavelength by nonlinear frequency conversion. However, during the conversion the optical vortices tend to break up 11-13 . Here we show that optical vortices can be generated in the extreme ultraviolet (XUV) region using high-harmonic generation 14,15 . The singularity impressed on the fundamental beam survives the highly nonlinear process. Vortices in the XUV region have the same phase distribution as the driving field, which is in contradiction to previous findings 16 , where multiplication of the momentum by the harmonic order is expected. This approach opens the way for several applications based on vortex beams in the XUV region.Places where physical quantities become infinite or change abruptly are called singularities. The presence of phase dislocations (singularities) in the wavefront of a light beam determines both the phase and intensity structure around them. As the phase becomes indeterminate at singularities, both the real and the imaginary parts of the field amplitude (that is, also the field intensity) vanish. The characteristic helical phase profiles of optical vortices are described by exp(imθ) multipliers, where θ is the azimuthal coordinate and the integer number m is their topological charge, also called dislocation strength or winding number.Recalling the fact that in free space the Poynting vector gives the momentum flow, for helical phase fronts the Poynting vector has an azimuthal component that produces an orbital angular momentum parallel to the axis of the beam. The momentum circulates around the beam axis, so such beams are said to contain an optical vortex. As has been shown 1-3 , an m-fold charged optical vortex beam carries an orbital angular momentum of mh per photon independent of the spin angular momentum (that is, the polarization state). It was shown that transitions that are forbidden by known selection rules in the electric and magnetic dipole approximation seem to be allowed when using optical vortex beams 10 . This provides a new degree of freedom in the spectroscopy of forbidden transitions. Multi-coloured optical vortices can be generated through a nonlinear frequency-conversion process such as second-harmonic generation 16 or four-wave mixing, which is an important process in the white-light vortex generation. However, as predicted in ref. 11 and observed in ref. 12, vortex breakup in self-focusing nonlinear media is an important issue for supercontinuum vortex genera...

show abstract

mentioning

confidence: 99%

Strong-field physics with singular light beams

et al. 2012

View full text Add to dashboard Cite

show abstract

“…Previous studies used a closed path associated with 2 × 2-neighboring measurement points. [16][17][18][19][20][21][22] Instead, here we propose an alternate closed path that connects the centers of the eight nearest neighbors of measurement points, which we call an eight-connected contour in the rest of this paper (Fig. 1).…”

Section: Eight-connected Closed Contour For Optical Vortex Detectionmentioning

confidence: 99%

“…2,16 The presence and absence of phase singularities in a light beam can be determined according to the nonzero (local peak) values of the contour summations. Some improvements and modifications have been made to reduce noise; [17][18][19] however, the spatial resolution of measurements with the SH-WFS is limited by the lens size of the lenslet array.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Eight-connected contour method for accurate position detection of optical vortices using Shack–Hartmann wavefront sensor

et al. 2015

View full text Add to dashboard Cite

Abstract. We propose a simple method of realizing an accurate position detection of phase singularities in an optical vortex (OV) beam using a Shack-Hartmann wavefront sensor (SH-WFS). The method calculates circulations which are the discrete contour integrals of phase slope vectors measured by the SH-WFS and then determines the accurate positions of the singular points by calculating the centers-of-gravity with a fixed window size around the local peak of the circulation distribution. We use closed paths that connect the centers of eightconnected, instead of 2 × 2-neighboring lenslet apertures for calculating the circulations. Both the numerical analysis and proof-of-principle experiment were performed to confirm the measurement accuracy. In experiments, the positions of singular points in OV beams generated by a liquid-crystal-on-silicon spatial light modulator were measured. The root-mean-square error of the position measurement was approximately 0.09 in units of the lens size of the lenslet array used in the SH-WFS. We also estimated the topological charges of the singular points being detected based on the peak circulations, and the results agreed well with theoretical ones. The method achieves both rapid implementation and sublens-size spatial resolution detection and is suitable for applications that require real-time control of OV beams.

show abstract

“…Как было указано выше, матрица W является ком-плексной, поэтому должны быть точно определены не только амплитуды её элементов |w µν |, но и межмодовые фазы φ µν . Для получения всей информации о коэффици-ентах w µν может быть использован известный подход, основанный на сенсоре Шака-Хартманна [26,27]. При-нятая информация о форме фронта позволяет декомпо-зировать моды, используя выражение (9).…”

Section: физическая модель Mdm-каналаunclassified

Mathematical model of completely optical system for detection of mode propagation parameters in an optical fiber with few-mode operation for adaptive compensation of mode coupling

Lyubopytov¹,

Tlyavlin²,

Sultanov³

et al. 2013

Computer Optics

View full text Add to dashboard Cite

Уфимский государственный авиационный технический университет,2 Институт систем обработки изображений РАН Аннотация В работе предлагается метод компенсации искажений, вызванных смешением мод в сис-темах передачи с модовым мультиплексированием, основанный на оптической обработке сигнала. Предлагаемый метод базируется на пространственно-спектральной взаимосвязи между модовым составом и распределением электромагнитного поля в лазерном пучке, а также на использовании дифракционного оптического элемента, программируемого в ре-жиме реального времени. Данный метод перспективен в плане снижения вычислительной сложности телекоммуникационных систем с модовым мультиплексированием и значитель-ного повышения скорости передачи данных в модовых каналах благодаря исключению сложной цифровой обработки сигнала при компенсации смешения мод.Ключевые слова: модовое мультиплексирование, дифракционные оптические элементы, орбитальный угловой момент, технология «множественный вход, множественный выход», пространственный модулятор света. Введение Современный уровень использования оптического волокна (ОВ) ограничен в традиционных областях (временной и частотной) и стремится к пределу пропу-скной способности, обусловленному нелинейными эффектами [1]. Однако объём мирового трафика еже-годно возрастает примерно в полтора раза из-за увели-чивающихся потоков данных HD-видео, распределён-ных вычислений и других приложений [2]. Для обеспе-чения соответствия сетей связи постоянно растущим требованиям по пропускной способности необходимо рассмотреть дополнительные подходы к уплотнению каналов в ОВ. В связи с этим в последние годы чрез-вычайно возрос интерес к телекоммуникационным системам с пространственным разделением каналов (spatial division multiplexing -SDM).Технология SDM в оптическом волокне может быть реализована с помощью волокон с несколькими сердцевинами [3] или с помощью модового мультип-лексирования (mode division multiplexing -MDM) в ОВ при маломодовом режиме передачи [4]. Волокна с несколькими сердцевинами предполагают сложное изготовление по сравнению с волокнами с осевой симметрией, поэтому системы MDM представляются экономически более эффективными. Однако при реа-лизации телекоммуникационных систем на основе MDM возникают две основные проблемы: а) возбуждение определённой суперпозиции мод с заданным распределением энергии и фазы в передатчике и выделение отдельных мод в приёмнике. б) преодоление эффекта смешения мод. Разработано множество методов возбуждения мод низшего порядка. Моды произвольных порядков мо-гут быть эффективно выделены из лазерного пучка посредством оптического корреляционного анализа. Данный подход использует дифракционные оптиче-ские элементы (ДОЭ), согласованные с определён-ными модами и называемые МОДАНами [5 -9], ко-торые позволяют генерировать и выделять любую комбинацию мод с точно заданными комплексными весовыми коэффициентами. ДОЭ позволяют достичь пика интенсивности желаемой моды в центре соот-ветствующего дифракционного порядка при интен-сивности в других порядках, близкой к шуму (не бо-лее 10% от пик...

show abstract

Wavefront reconstruction of an optical vortex by a Hartmann-Shack sensor

Cited by 70 publications

References 14 publications

Strong-field physics with singular light beams

Strong-field physics with singular light beams

Eight-connected contour method for accurate position detection of optical vortices using Shack–Hartmann wavefront sensor

Mathematical model of completely optical system for detection of mode propagation parameters in an optical fiber with few-mode operation for adaptive compensation of mode coupling

Contact Info

Product

Resources

About