Ukrainian Journal of Physical Optics


2024 Volume 25, Issue 2


ISSN 1609-1833 (Print)

OPTICAL VORTICES GENERATED IN MULTI-CASCADE OPTICAL SYSTEMS WITH TORSION-STRESSED LINBO3 CRYSTALLINE ELEMENTS

D. Adamenko, T. Kryvyy, I. Skab and R. Vlokh

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

ABSTRACT

This work theoretically tested the possibility of expanding the spectrum of vortex charges generated using multi-cascade optical systems based on LiNbO3 crystals twisted around their optical axis. As a result, analytical expressions for the electric field parameters of the output optical wave were obtained for the four main types of elementary cascades that allow the generation of vortices with charges +1 and –1 and also provide the matching of adjacent cascades in the multi-cascade optical system. At the same time, it was shown that when using the appropriate number of sequentially located cascades, each of which belongs to a certain type from the above, it is possible to generate a vortex beam with arbitrary integer vortex charges, including zero. Using the proposed cascade system, one can operate the outgoing beam parameters. This system can be used at the vortex beam multiplexing for information transfer.

Keywords: optical vortex, helical wavefront, vortex charge, multi-cascade optical system, torsion stresses, LiNbO3 crystals

UDC: 535.551

    1. Ren, Y., Wang, Z., Liao, P., Li, L., Xie, G., Huang, H., Zhao, Z., Yan, Y., Ahmed, N., Willner, A., Lavery, M. P. J., Ashrafi, N., Ashrafi, S., Bock, R., Tur, M., Djordjevic, I. B., Neifeld M. A. & Willner, A. E. (2016). Experimental characterization of a 400 Gbit/s orbital angular momentum multiplexed free-space optical link over 120 m. Optics Letters, 41(3), 622-625. doi:10.1364/OL.41.000622
    2. Wang, J., Yang, J. Y., Fazal, I. M., Ahmed, N., Yan, Y., Huang, H., Ren, Y., Yue, Y., Dolinar, S., Tur M. & Willner, A. E. (2012). Terabit free-space data transmission employing orbital angular momentum multiplexing. Nature Photonics, 6(7), 488-496. doi:10.1038/nphoton.2012.138
    3. Zhang, W., Li, Y., Sun, T., Shao, W., Zhu, F., & Wang, Y. (2016). Demodulation for multi vortex beams based on composite diffraction hologram. Optics Communications, 381, 377-383. doi:10.1016/j.optcom.2016.07.029
    4. Yang, C. H., Chen, Y. D., Wu, S. T., & Fuh, A. Y. G. (2016). Independent manipulation of topological charges and polarization patterns of optical vortices. Scientific Reports, 6(1), 31546. doi:10.1038/srep31546
    5. Qiao, Z., Wan, Z., Xie, G., Wang, J., Qian, L., & Fan, D. (2020). Multi-vortex laser enabling spatial and temporal encoding. PhotoniX, 1, 1-14. doi:10.1186/s43074-020-00013-x
    6. Zhu, L., & Wang, J. (2019). A review of multiple optical vortices generation: methods and applications. Frontiers of Optoelectronics, 12, 52-68. doi:10.1007/s12200-019-0910-9
    7. Du, J., & Wang, J. (2018). Dielectric metasurfaces enabling twisted light generation/detection/(de) multiplexing for data information transfer. Optics Express, 26(10), 13183-13194. doi:10.1364/OE.26.013183
    8. Bazhenov, V. Y., Vasnetsov, M. V., & Soskin, M. S. (1990). Laser beams with screw dislocations in their wavefronts. JEPT Lett, 52(8), 429-431.
    9. Beijersbergen, M. W., Coerwinkel, R. P. C., Kristensen, M., & Woerdman, J. P. (1994). Helical-wavefront laser beams produced with a spiral phaseplate. Optics Communications, 112(5-6), 321-327. doi:10.1016/0030-4018(94)90638-6
    10. Marrucci, L., Manzo, C., & Paparo, D. (2006). Optical spin-to-orbital angular momentum conversion in inhomogeneous anisotropic media. Physical Review Letters, 96(16), 163905.doi:10.1103/PhysRevLett.96.163905
    11. Fadeyeva, T. A., Shvedov, V. G., Izdebskaya, Y. V., Volyar, A. V., Brasselet, E., Neshev, D. N., Desyatnikov, A.S., Krolikowski W. & Kivshar, Y. S. (2010). Spatially engineered polarization states and optical vortices in uniaxial crystals. Optics Express, 18(10), 10848-10863. doi:10.1364/OE.18.010848
    12. Devlin, R. C., Ambrosio, A., Rubin, N. A., Mueller, J. B., & Capasso, F. (2017). Arbitrary spin-to-orbital angular momentum conversion of light. Science, 358(6365), 896-901. doi:10.1126/science.aao5392
    13. Ostrovsky, A. S., Rickenstorff-Parrao, C., & Arrizón, V. (2013). Generation of the "perfect" optical vortex using a liquid-crystal spatial light modulator. Optics Letters, 38(4), 534-536. doi:10.1364/OL.38.000534
    14. Delaney, S., Sánchez-López, M. M., Moreno, I., & Davis, J. A. (2017). Arithmetic with q-plates. Applied Optics, 56(3), 596-600. doi:10.1364/AO.56.000596
    15. Marrucci, L., Manzo, C., & Paparo, D. (2006). Pancharatnam-Berry phase optical elements for wave front shaping in the visible domain: Switchable helical mode generation. Applied Physics Letters, 88(22). doi:10.1063/1.2207993
    16. Skab, I., Vasylkiv, Y., Savaryn, V., & Vlokh, R. (2011). Optical anisotropy induced by torsion stresses in LiNbO3 crystals: appearance of an optical vortex. JOSA A, 28(4), 633-640. doi:10.1364/JOSAA.28.000633
    17. Skab, I., Vasylkiv, Y., Zapeka, B., Savaryn, V., & Vlokh, R. (2011). Appearance of singularities of optical fields under torsion of crystals containing threefold symmetry axes. JOSA A, 28(7), 1331-1340. doi:10.1364/JOSAA.28.001331
    18. Skab, I., Vasylkiv, Y., Smaga, I., & Vlokh, R. (2011). Spin-to-orbital momentum conversion via electro-optic Pockels effect in crystals. Physical Review A, 84(4), 043815. doi:10.1103/PhysRevA.84.043815
    19. Skab, I., Vasylkiv, Y., Savaryn, V., & Vlokh, R. (2011). Optical anisotropy induced by torsion stresses in LiNbO3 crystals: appearance of an optical vortex. JOSA A, 28(4), 633-640. doi:10.1364/JOSAA.28.000633
    20. Skab, I., Vasylkiv, Y., Zapeka, B., Savaryn, V., & Vlokh, R. (2011). Appearance of singularities of optical fields under torsion of crystals containing threefold symmetry axes. JOSA A, 28(7), 1331-1340. doi:10.1364/JOSAA.28.001331
    21. Piccirillo, B., D'Ambrosio, V., Slussarenko, S., Marrucci, L., & Santamato, E. (2010). Photon spin-to-orbital angular momentum conversion via an electrically tunable q-plate. Applied Physics Letters, 97(24), 241104. doi:10.1063/1.3527083
    22. Sirotin, Y. and Shaskolskaya, M. (1983). Fundamentals of Crystal Physics. Imported Publications.
    23. Gil, J. J., & Bernabeu, E. (1986). Obtainment of the polarizing and retardation parameters of a non-depolarizing optical system from the polar decomposition of its Mueller matrix. Optik (Stuttgart), 76(2), 67-71.
    24. Almaz Optics, Inc., Lithium niobate, LiNbO3. http://www.almazoptics.com/LiNbO3.htm.
    25. Vasylkiv, Y., Savaryn, V., Smaga, I., Skab, I., & Vlokh, R. (2010). Determination of piezooptic coefficient p14 of LiNbO3 crystals under torsion loading. Ukrainian Journal of Physical Optics, 11(3), 156-164. doi:10.3116/16091833/11/3/156/2010.

    У цій роботі теоретично перевірена можливість розширення спектру зарядів оптичних вихорів, створених за допомогою багатокаскадних оптичних систем на основі скручених навколо оптичної осі кристалів LiNbO3. У результаті отримано аналітичні вирази для параметрів електричного поля вихідної оптичної хвилі для чотирьох основних типів елементарних каскадів, що дозволяють генерувати вихори із зарядами +1 та –1, а також забезпечують узгодження суміжних каскадів у мультикаскадній оптичній системі. При цьому було показано, що при використанні відповідної кількості послідовно розташованих каскадів, кожен з яких належить до певного типу з перерахованих вище, можна генерувати вихровий пучок з довільними цілими зарядами вихору, включаючи нуль. Використовуючи запропоновану каскадну систему, можна керувати параметрами вихідного променя. Цю систему можна використовувати при мультиплексуванні вихрового пучка для передачі інформації.

    Ключові слова: оптичний вихор, гелікоїдальний хвильовий фронт, заряд вихора, багатокаскадна оптична система, крутильні напруження, кристали LiNbO3.

Free download this article 

© Ukrainian Journal of Physical Optics ©