Ukrainian Journal of Physical Optics


2022, Volume 23, Issue 2


ISSN 1816-2002 (Online), ISSN 1609-1833 (Print)

Acoustic polarization singularities arising under torsion and orbital angular momentum exchange at the backward collinear acousto-optic diffraction: a case of crystals with point symmetry 3m

Mys O., Kostyrko M., Adamenko D., Skab I., Vlokh R.

O.G.Vlokh Institute of Physical Optics, 23 Dragomanov Street, 79005 Lviv, Ukraine; vlokh@ifo.lviv.ua;

ABSTRACT

We consider acousto-elastic effect induced by torsion stresses in LiNbO3 crystals. It is shown that mechanical torsion can give rise to acoustic singularity of the eigenvectors of Christoffel tensor and a torsion-induced ‘acoustic birefringence’ is conically distributed in space, with an elliptical cross section. This results in appearance of a singly charged acoustic vortex beam that propagates inside the crystal. It is also shown that a backward collinear acousto-optic (AO) interaction of a linearly polarized incident optical wave with a torsion-induced acoustic vortex wave is accompanied by a transfer of orbital angular momentum from the acoustic wave to the diffracted optical wave. If the torsion-induced circular optical vortex wave interacts with the acoustic vortex wave of the same chirality, the diffracted optical wave would bear a doubly charged vortex. In the case of AO interaction of the waves with the opposite chiralities, which bear the vortices having the opposite signs of their charges, the vortices annihilate in the process of AO diffraction and the diffracted optical wave becomes vortex-free.


Keywords: polarization singularities, acoustic waves, orbital angular momentum, collinear acousto-optic diffraction

UDC: 535.42+534.2

    1. Magdich L N and Molchanov V Ya. Acoustooptic devices and their applications. New York: Gordon and Breach Science Publisher, 1989.
    2. Nye J F and Berry M V, 1974. Dislocations in wave trains. Proc. Roy. Soc. A. 336: 165-190. doi:10.1098/rspa.1974.0012
    3. Beijersbergen M W, Coerwinkel R P C, Kristensen M and Woerdman J P, 1994. Helical-wavefront laser beams produced with a spiral phaseplate. Opt. Commun. 112: 321-327. doi:10.1016/0030-4018(94)90638-6
    4. Basistiy V, Bazhenov Yu, Soskin M S and Vasnetsov M V, 1993. Optics of light beams with screw dislocations. Opt. Commun. 103: 422-428. doi:10.1016/0030-4018(93)90168-5
    5. Marrucci L, Manzo C and Paparo D, 2006. Optical spin-to-orbital angular momentum conversion in inhomogeneous anisotropic media. Phys. Rev. Lett. 96: 163905. doi:10.1103/PhysRevLett.96.163905
    6. Skab I, Vasylkiv Y, Savaryn V and Vlokh R, 2011. Optical anisotropy induced by torsion stresses in LiNbO3 crystals: appearance of an optical vortex. J. Opt. Soc. Amer. A. 28: 633-640. doi:10.1364/JOSAA.28.000633
    7. Skab I, Vasylkiv Y and Vlokh R, 2012. Induction of optical vortex in the crystals subjected to bending stresses. Appl. Opt. 51: 5797-5805. doi:10.1364/AO.51.005797
    8. Gspan S, Meyer A, Bernet S and Ritsch-Marte M, 2004. Optoacoustic generation of a helicoidal ultrasonic beam. J. Acoust. Soc. Amer. 115: 1142-1146. doi:10.1121/1.1643367
    9. Jimenez N, Pico R, Sanchez-Morcillo V, Romero-Garcia V, Garcia-Raffi L M and Staliunas K, 2016. Formation of high-order acoustic Bessel beams by spiral diffraction gratings. Phys. Rev. E. 94: 053004. doi:10.1103/PhysRevE.94.053004
    10. Ealo J, Prieto J and Seco F, 2011. Airborne ultrasonic vortex generation using flexible ferroelectrets. IEEE Trans. Ultrason. Ferroel. Freq. Control. 58: 1651-1657. doi:10.1109/TUFFC.2011.1992
    11. Hong Z Y, Yin J F, Zhai W, Yan N, Wang W L, Zhang J and Drinkwater B W, 2017. Dynamics of levitated objects in acoustic vortex fields. Sci. Rep. 7: 7093. doi:10.1038/s41598-017-07477-1
    12. Psakhie S G, Shilko E V, Popov M V and Popov V L, 2015. Key role of elastic vortices in the initiation of intersonic shear cracks. Phys. Rev. E. 91: 063302. doi:10.1103/PhysRevE.91.063302
    13. Belyi V N, Khilo P A, Kazak N S and Khilo N A, 2016. Transformation of phase dislocations under acousto-optic interaction of optical and acoustical Bessel beams. J. Opt. 18: 074002. doi:10.1088/2040-8978/18/7/074002
    14. Dashti P Z, Alhassen F and Lee H P, 2006. Observation of orbital angular momentum transfer between acoustic and optical vortices in optical fiber. Phys. Rev. Lett. 96: 043604. doi:10.1103/PhysRevLett.96.043604
    15. Martynyuk-Lototska I, Vasylkiv Y, Dudok T, Skab I and Vlokh R, 2018. Acoustooptic operation of optical vortex beams. Optik. 155: 179-184. doi:10.1016/j.ijleo.2017.11.015
    16. Vasylkiv Y, Martynyuk-Lototska I, Skab I and Vlokh R, 2018. Generation of an optical vortex array in the course of acousto-optic diffraction. Appl. Opt. 57: 10284-10289. doi:10.1364/AO.57.010284
    17. Kostyrko M, Skab I and Vlokh R, 2021. Angular-momentum exchange among acoustic and optical waves at the collinear acousto-optic diffraction. J. Opt. 23: 064003. doi:10.1088/2040-8986/abfa72
    18. Kostyrko M, Vasylkiv Y, Skab I and Vlokh R, 2021. Collinear acousto-optic interaction of optical and acoustic vector beams. Summation of the polarization orders of topological defects. Optik. 244: 167552. doi:10.1016/j.ijleo.2021.167552
    19. Shaskolskaya M P. Acoustic crystals. Moscow: Nauka, 1982.
    20. Smith R T and Welsh F S, 1971. Temperature dependence of the elastic, piezoelectric, and dielectric constants of lithium tantalate and lithium niobate. J. Appl. Phys. 42: 2219-2230. doi:10.1063/1.1660528
    21. Huang Xiaojun, Burns D R and Toksoz M N, 2001. The effect of stresses on the sound velocity in rocks: Theory of acoustoelasticity and experimental measurements. Massachusetts Institute of Technology. Earth Resources Laboratory. http://hdl.handle.net/1721.1/68599
    22. Hmiel A, Winey J M, Gupta Y M and Desjarlais M P, 2016. Nonlinear elastic response of strong solids: First-principles calculations of the third-order elastic constants of diamond. Phys. Rev. B. 93: 174113. doi:10.1103/PhysRevB.93.174113
    23. Vedam K and Srinivasan R, 1967. Non-linear piezo-optics. Acta Cryst. 22: 630-634. doi:10.1107/S0365110X67001276
    24. Azzam R M A and Bashara N M. Ellipsometry and polarized light. Amsterdam, New York: North-Holland, 1977.
    25. Marrucci L, 2008. Generation of helical modes of light by spin-to-orbital angular momentum conversion in inhomogeneous liquid crystals. Mol. Cryst. Liq. Cryst. 48: 148-162. doi:10.1080/15421400802240524
    Розглянуто акустопружний ефект, викликаний торсійними напруженнями в кристалах LiNbO3. Показано, що механічне кручення може спричинити акустичну сингулярність власних векторів тензора Крістофеля, а індуковане крученням «акустичне подвійне променезаломлення» конічно розподілене в просторі, з еліптичним поперечним перерізом. Це приводить до появи однозарядного акустичного вихрового променя, який поширюється всередині кристала. Також показано, що зворотна колінеарна акустооптична (АО) взаємодія лінійно поляризованої падаючої оптичної хвилі з акустичною вихровою хвилею, індукованою крученням, супроводжується передаванням орбітального кутового моменту від акустичної хвилі до дифрагованої оптичної хвилі. Якщо індукована крученням циркулярно поляризована оптична вихрова хвиля взаємодіє з акустичною вихровою хвилею тієї ж хіральності, то дифрагована оптична хвиля буде нести подвійно заряджений вихор. У разі АО-взаємодії хвиль з протилежними хіральностями, які несуть вихори з протилежними знаками заряду, вихори анігілюють в процесі АО-дифракції, а дифрагована оптична хвиля стає безвихровою.

    Ключові слова: поляризаційні сингулярності, акустичні хвилі, орбітальний кутовий момент, колінеарна акустооптична дифракція
Free download this article

© Ukrainian Journal of Physical Optics ©