Ukrainian Journal of Physical Optics


2022 Volume 23, Issue 3


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

Generation of acoustic and optical vortices in the course of mechanical bending and collinear acousto-optic diffraction

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

O. G. Vlokh Institute of Physical Optics, 23 Dragomanov Street, 79005 Lviv, Ukraine

ABSTRACT

We show that a bending mechanical stress can produce a topological defect of orientation of the eigenvectors of Christoffel tensor with the strength equal to ½. This implies generation of a singly charged acoustic vortex for transverse acoustic waves. In general, this vortex is anisotropic, although it can be transformed into isotropic one at some geometrical parameters of distributed mechanical load. The acoustic vortices generated by the bending stresses can be produced even in isotropic solid-state media. Using the example of crystals belonging to the point symmetry group 3m, we also consider the process of backward collinear acousto-optic diffraction for the case of interactions of optical and acoustic waves that bear bending-generated topological defects of their phase fronts. It is demonstrated that, in the case of linearly polarized incident optical wave, a vector beam with a unit polarization order is generated in the crystals. Acousto-optic interaction of this vector beam with the acoustic beam bearing a singly charged anisotropic vortex produces a diffracted optical wave that bears a vortex, too. The embedded topological defect of the phase front associated with this vortex has the strength given by a sum of strengths of the topological defects of the incident optical wave and the acoustic wave. The diffracted optical beam represents an anisotropic vortex beam with the orbital angular momentum (OAM) equal to 2ħ. When both the acoustic wave and the incident optical wave nest the bending-induced singly charged anisotropic vortices, the diffracted optical wave would also bear a vortex. Its charge is a linear combination of the charges referred to the acoustic and incident optical waves, which involves the parameters of acoustic and optical anisotropies. When the signs of OAMs of the interacting acoustic and optical waves are the same, the diffracted optical wave bears a doubly charged anisotropic optical vortex. At some specific anisotropy parameters, it can be transformed into isotropic vortex. Finally, the topological defects embedded in the interacting waves annihilate and the diffracted optical wave becomes vortex-free when the signs of OAMs of the interacting waves are opposite.

Keywords: acoustic vortices, bending stresses, acousto-optic diffraction

UDC: 535.012+534.2

    1. Mys O, Kostyrko M, Adamenko D, Skab I and Vlokh R, 2022. 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. Ukr. J. Phys. Opt. 23: 107-115. doi:10.3116/16091833/23/2/107/2022
    2. 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. URL: http://hdl.handle.net/1721.1/68599
    3. 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
    4. Mys O, Kostyrko M, Adamenko D, Skab I and Vlokh R, 2022. 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. Errata. Ukr. J. Phys. Opt. 23: 150-154. doi:10.3116/16091833/23/3/150/2022
    5. 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
    6. Guang-Hoon Kim, Hae June Lee, Jong-Uk Kim and Hyyong Suk, 2003. Propagation dynamics of optical vortices with anisotropic phase profiles. J. Opt. Soc. Amer. B. 20: 351-359. doi:10.1364/JOSAB.20.000351
    7. Molina-Terriza G, Recolons J, Torres J P and Torner L, 2001. Observation of the dynamical inversion of the topological charge of an optical vortex. Phys. Rev. Lett. 87: 023902. doi:10.1103/PhysRevLett.87.023902
    8. https://www.pgo-online.com/intl/BK7.html
    9. Krupych O, Savaryn V, Skab I and Vlokh R, 2011. Interferometric measurements of piezooptic coefficients by means of four-point bending method. Ukr. J. Phys. Opt. 12: 150-159. doi:10.3116/16091833/12/3/150/2011
    10. Timoshenko S P. Strength of Materials. Part I: Elementary Theory and Problems. Moscow: Nauka, 1965.
    11. Timoshenko S P. Strength of materials. Part II: Advanced Theory and Problems. Moscow: Nauka, 1965.
    12. Lamaitre G R. Astronomical Optics and Elasticity Theory. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, 2009.
    13. https://www.pgo-online.com/intl/BK7.html
    14. Sirotin Yu I and Shaskolskaya M P. Fundamentals of Crystal Physics. Moscow: Mir Publishers, 1982.
    15. Marrucci L, 2008. Generation of helical modes of light by spin-to-orbital angular momentum conversion in inhomogeneous liquid crystals. Mol. Cryst. Liq. Cryst. 488: 148-162. doi:10.1080/15421400802240524
    16. Yue Pan, Yongnan Li, Si-Min Li, Zhi-Cheng Ren, Ling-Jun Kong, Chenghou Tu and Hui-Tian Wang, 2014. Elliptic-symmetry vector optical fields. Opt. Express. 22: 19302−19313. doi:10.1364/OE.22.019302

    Показано, що механічне напруження згину може спричинити появу топологічного дефекту орієнтації власних векторів тензора Крістофеля з силою ½. Це означає генерацію однозарядного акустичного вихору для поперечних акустичних хвиль. Загалом цей вихор є анізотропним, хоча при деяких геометричних параметрах розподіленого механічного навантаження він може трансформуватися в ізотропний. Акустичні вихори, породжені внаслідок дії напружень згину, можуть формуватися навіть в ізотропних твердотільних середовищах. На прикладі кристалів, що належать до групи точкової симетрії 3m, ми також розглянули процес зворотної колінеарної акустооптичної дифракції для випадку взаємодії оптичних та акустичних хвиль, які несуть генеровані згином топологічні дефекти їхніх фазових фронтів. Показано, що у випадку падаючої оптичної хвилі з лінійною поляризацією в кристалах генерується векторний пучок з одиничним порядком поляризації. Акустооптична взаємодія цього векторного пучка з акустичним пучком, який несе однозарядний анізотропний вихор, породжує дифраговану оптичну хвилю, яка також несе вихор. Вбудований топологічний дефект фазового фронту, пов’язаний з цим вихором, має силу, яка визначається сумою сил топологічних дефектів падаючої оптичної хвилі та акустичної хвилі. Дифрагований оптичний пучок є анізотропним вихровим пучком із орбітальним кутовим моментом (ОКМ), що дорівнює 2ħ. Коли і акустична хвиля, і падаюча оптична хвиля містять індуковані згином однозарядні анізотропні вихри, дифрагована оптична хвиля також несе вихор. Його заряд є лінійною комбінацією зарядів, пов’язаних із акустичною та падаючою оптичною хвилями, яка включає параметри акустичної та оптичної анізотропії. Якщо знаки ОКМ взаємодіючих акустичної та оптичної хвиль однакові, то дифрагована оптична хвиля несе подвійно заряджений анізотропний оптичний вихор. При деяких специфічних параметрах анізотропії він може бути перетворений на ізотропний вихор. Нарешті, топологічні дефекти, закладені у взаємодіючі хвилі, анігілюють, а дифрагована оптична хвиля стає безвихровою, якщо знаки ОКМ взаємодіючих хвиль протилежні.

    Ключові слова: акустичні вихори, згинальні напруження, акустооптична дифракція


© Ukrainian Journal of Physical Optics ©