Ukrainian Journal of Physical Optics 
Home page
 
 

Other articles 

in this issue
Wide-slit diffraction and wavefront diagnostics of optical-vortex beams 

Bekshaev A. Ya., Kurka I. A., Mohammed K. A. and Slobodeniuk I. I. 

Download this article

Abstract. A slit diffraction is widely used for express diagnostics of optical vortices (OVs). We propose a version of this method that employs relatively wide slits of the sizes comparable with the thickness of bright ring characterizing the OV-beam under test. Under such conditions the diffracted beam contains two bright lobes that propagate along the directions determined by local normals to the incident-beam wavefront in the slit plane. As a result, observations of the lobes’ displacements within the beam cross section provide information on the local wavefront slope and, consequently, on the OV sign and topological charge. The evolution of the lobes’ positions during the diffracted beam propagation visualizes a hidden energy circulation in the incident OV-beam and provides a direct and spectacular illustration of the internal energy flows.

Keywords: optical vortices, slit diffraction, beam propagation, spatial structure, wavefront diagnostics

PACS: 42.25.Bs; 42.25.Fx; 42.50.Tx; 42.60.Jf; 42.90.+m
UDC: 535.42
Ukr. J. Phys. Opt. 16 17-23
doi: 10.3116/16091833/16/1/17/2015
Received: 05.11.2014

Анотація. Дифракцію на щілині широко застосовують для експрес-діагностики оптичних вихорів (ОВ). Ми пропонуємо варіант цього методу, який використовує досить широку щілину з розміром, близьким до ширини світлого кільця досліджуваного ОВ-пучка. За цих умов дифрагований пучок містить два яскраві максимуми, що поширюються в напрямках, визначених локальними нормалями до хвильового фронту падаючого пучка в площині екрану. Їх спостереження надає інформацію про локальний нахил фронту, а отже, про знак і топологічний заряд ОВ. Еволюція розташування максимумів у процесі поширення дифрагованого пучка дає змогу візуалізувати поперечну циркуляцію енергії, яка приховано відбувається в падаючому ОВ-пучку, і може слугувати безпосередньою і наочною ілюстрацією внутрішніх потоків енергії.
REFERENCES
  1. Allen L, Padgett M J and Babiker M, 1999. Orbital angular momentum of light. Prog. Opt. 39: 291–372. doi:10.1016/S0079-6638(08)70391-3
  2. Soskin M S and Vasnetsov M V, 2001. Singular optics. Prog. Opt. 42: 219–276. doi:10.1016/S0079-6638(01)80018-4
  3. Bekshaev A Ya, Soskin M S and Vasnetsov M V. Paraxial light beams with angular momentum. N. Y.: Nova Science Publishers, 2008.
  4. Dennis M R, O'Holleran K and Padgett M J, 2009. Singular optics: optical vortices and polarization singulari-ties. Prog. Opt. 53: 293–363. doi:10.1016/S0079-6638(08)00205-9
  5. Dienerowitz M, Mazilu M and Dholakia K, 2008. Optical manipulation of nanoparticles: a review. J. Nano-photonics. 2: 021875.
  6. Bowman R W and Padgett M J, 2013. Optical trapping and binding. Rep. Prog. Phys. 76: 026401. doi:10.1088/0034-4885/76/2/026401
  7. Bekshaev A, Bliokh K and Soskin M, 2011. Internal flows and energy circulation in light beams. J. Opt. 13: 053001. doi:10.1088/2040-8978/13/5/053001
  8. Vasnetsov M V, Marienko I G and Soskin M S, 2000. Self-reconstruction of an optical vortex. JETP Lett. 71: 130–133. doi:10.1134/1.568297
  9. Gorshkov V N, Kononenko A N and Soskin M S, 2001. Diffraction and self-restoration of a severe screened vortex beam. Proc. SPIE. 4403: 127–137. doi:10.1117/12.428259
  10. Gorshkov V N, Khoroshun A N and Soskin M S, 2006. Diffraction of the singular beam on an opaque screen and regeneration of an optical vortex. Ukr. J. Phys. 51: 132–139.
  11. Masajada J, 2000. Gaussian beams with optical vortex of charge 2- and 3-diffraction by a half-plane and slit. Opt. Applicata. 30: 248–256.
  12. Masajada J, 2000. Half-plane diffraction in the case of Gaussian beams containing an optical vortex. Opt. Commun. 175: 289–294. doi:10.1016/S0030-4018(00)00470-3
  13. Pusheng Liu and Baida Lü, 2008. Propagation of Gaussian background vortex beams diffracted at a half-plane screen. Opt. Laser Technol. 40: 227–234. doi:10.1016/j.optlastec.2007.06.005
  14. Yamei Luo, Zenghui Gao, Bihua Tang and Baida Lü, 2013. Electric and magnetic polarization singularities of first-order Laguerre-Gaussian Beams diffracted at a half-plane screen. J. Opt. Soc. Amer. A. 30: 1646–1653. doi:10.1364/JOSAA.30.001646
  15. Arlt J, 2003. Handedness and azimuthal energy flow of optical vortex beams. J. Mod. Opt. 50: 1573–1580. doi:10.1080/09500340308235231
  16. Cui H X, Wang X L, Gu B, Li Y N, Chen J and Wang H T, 2012. Angular diffraction of an optical vortex in-duced by the Gouy phase. J. Opt. 14: 055707. doi:10.1088/2040-8978/14/5/055707
  17. Devinder Pal Ghai, Senthilkumaran P and Sirohi R S, 2009. Single-slit diffraction of an optical beam with phase singularity. Opt. Lasers Eng. 47: 123–126. doi:10.1016/j.optlaseng.2008.07.019
  18. Bogatyryova H V, Felde Ch V and Polyanskii P V, 2003. Referenceless testing of vortex optical beams. Opt. Applicata. 33: 695–708.
  19. Felde Ch V, 2004. Diffraction diagnostics of phase singularities in optical fields. Proc. SPIE. 5477: 67–76. doi:10.1117/12.558799
  20. Masajada J, Leniec M, Drobczyński S, Thienpont H and Kress B, 2009. Micro-step localization using double charge optical vortex interferometer. Opt. Express. 17: 16144–16159. doi:10.1364/OE.17.016144
  21. Masajada J, Leniec M, Jankowska E, Thienpont H, Ottevaere H and Gomez V, 2008. Deep microstructure to-pography characterization with optical vortex interferometer. Opt. Express. 16: 19179–19191. doi:10.1364/OE.16.019179
  22. Bekshaev A Ya, Bekshaev A S and Mohammed K A, 2014. Arrays of optical vortices formed by 'fork' holo-grams. Ukr. J. Phys. Opt. 15: 123–131. doi:10.3116/16091833/15/3/123/2014
  23. Marcuse D. Light Transmission Optics. N. Y.: Van Nostrand Reinhold, 1982.
  24. Optical Shop Testing. Ed. D. Malacara. Hoboken, N. J.: Wiley-Interscience, 2007.
(c) Ukrainian Journal of Physical Optics