Ukrainian Journal of Physical Optics


2025 Volume 26, Issue 1


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

OPTICAL EDGE DISLOCATION GENERATED WITH THE NEMATIC θ-CELL

O. Krupych, T. Dudok, I. Skab, Yu. Nastishin, Z. Hrabchak, Ye. Ryzhov, O. Buluy, P. Zelenov, V. Nazarenko, O. Kurochkin and R. Vlokh


ABSTRACT

An optical edge dislocation is visualized as a shift of interference fringes in the Mach-Zehnder interferograms of the wavefront of a laser beam behind a nematic θ-cell with the circular and linear planar alignments of the nematic director on the opposite substrates. Using the approach of differential Jones matrices we establish that the half-period shift of the interference fringes addresses the π optical phase shift in the domains with the opposite handedness of the director twist on both sides of the nematic disclination separating these domains

Keywords: optical edge dislocation, optical vortex, nematic θ-cell, nematic q-plate, enantiomorphic domains, optical phase shift

UDC: 535.4, 535.5

    1. Grier, D. G. (2003). A revolution in optical manipulation. Nature, 424(6950), 810-816.
      doi:10.1038/nature01935
    2. Sit, A., Fickler, R., Alsaiari, F., Bouchard, F., Larocque, H., Gregg, P., Yan, L., Boyd, R.W., Ramachandran, S., & Karimi, E. (2018). Quantum cryptography with structured photons through a vortex fiber. Optics Letters, 43(17), 4108-4111.
      doi:10.1364/OL.43.004108
    3. Boschi, D., Branca, S., De Martini, F., Hardy, L., & Popescu, S. (1998). Experimental realization of teleporting an unknown pure quantum state via dual classical and Einstein-Podolsky-Rosen channels. Physical Review Letters, 80(6), 1121.
      doi:10.1103/PhysRevLett.80.1121
    4. Quabis, S., Dorn, R., Eberler, M., Glöckl, O., & Leuchs, G. (2000). Focusing light to a tighter spot. Optics Communications, 179(1-6), 1-7.
      doi:10.1016/S0030-4018(99)00729-4
    5. Krenn, M., Handsteiner, J., Fink, M., Fickler, R., Ursin, R., Malik, M., & Zeilinger, A. (2016). Twisted light transmission over 143 km. Proceedings of the National Academy of Sciences, 113(48), 13648-13653.
      doi:10.1073/pnas.1612023113
    6. DiVincenzo, D. P. (1995). Quantum computation. Science, 270(5234), 255-261.
      doi:10.1126/science.270.5234.255
    7. Bazhenov, V. Y., Vasnetsov, M. V., & Soskin, M. S. (1990). Laser beams with screw dislocations in their wavefronts. JETP Lett., 52(8), 429-431.
    8. 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
    9. 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
    10. 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
    11. 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
    12. 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
    13. 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
    14. 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
    15. Huang, Y. H., Li, M. S., Ko, S. W., & Fuh, A. Y. G. (2013). Helical wavefront and beam shape modulated by advanced liquid crystal q-plate fabricated via photoalignment and analyzed by Michelson's interference. Applied Optics, 52(26), 6557-6561.
      doi:10.1364/AO.52.006557
    16. Clark, N. A. (1985). Surface memory effects in liquid crystals: Influence of surface composition. Physical Review Letters, 55(3), 292.
      doi:10.1103/PhysRevLett.55.292
    17. 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
    18. Krupych, O., Dudok, T., Skab, I., Nastishin, Yu., Hrabchak, Z., Chernenko, A., Buluy, O., Zelenov, P., Nazarenko, V., Kurochkin, o., Vlokh, R. (2025). Electric field controlled switching of an optical vortex charge with a liquid crystal cell. Optics Communication. 579, 131593.
      doi:10.1016/j.optcom.2025.131593
    19. Stalder, M., & Schadt, M. (1996). Linearly polarized light with axial symmetry generated by liquid-crystal polarization converters. Optics Letters, 21(23), 1948-1950.
      doi:10.1364/OL.21.001948
    20. Suh, S. W., Joseph, K., Cohen, G., Patel, J. S., & Lee, S. D. (1997). Precise determination of the cholesteric pitch of a chiral liquid crystal in a circularly aligned configuration. Applied Physics Letters, 70(19), 2547-2549.
      doi:10.1063/1.118916
    21. Vasnetsov, M. V., Kasyanyuk, D. S., Terenetskaya, I. P., Kapinos, P. S., & Slyusar, V. V. (2013). Disclination line in θ-cell as an indicator of liquid crystal chirality. Molecular Crystals and Liquid Crystals, 575(1), 57-63.
      doi:10.1080/15421406.2013.766945
    22. Kurochkin, O., Nazarenko, K., Tereshchenko, O., Golub, P., & Nazarenko, V. (2023). The helical twisting power of chiral dopants in lyotropic chromonic liquid crystals. Liquid Crystals, 50(1), 110-120.
      doi:10.1080/02678292.2022.2114030
    23. Nye, J. F., & Berry, M. V. (1974). Dislocations in wave trains. Proceedings of the Royal Society of London. A. Mathematical and Physical Sciences, 336(1605), 165-190.
      doi:10.1098/rspa.1974.0012
    24. Soskin, M. S., Vasnetsov, M. V., & Basistiy, I. V. (1995, November). Optical wavefront dislocations. In International Conference on Holography and Correlation Optics (Vol. 2647, pp. 57-62). SPIE.
      doi:10.1117/12.226741
    25. Basistiy, I. V., Soskin, M. S., & Vasnetsov, M. V. (1995). Optical wavefront dislocations and their properties. Optics Communications, 119(5-6), 604-612.
      doi:10.1016/0030-4018(95)00267-C
    26. Li, F., Buchnev, O., Cheon, C. I., Glushchenko, A., Reshetnyak, V., Reznikov, Y., Sluckin, T.J. & West, J. L. (2006). Orientational coupling amplification in ferroelectric nematic colloids. Physical Review Letters, 97(14), 147801.
      doi:10.1103/PhysRevLett.97.147801
    27. Domański, A., Budaszewski, D., Sierakowski, M., & Woliński, T. (2006). Depolarization of partially coherent light in liquid crystals. Opto-Electronics Review, 14(4), 305-310.
      doi:10.2478/s11772-006-0041-x
    28. Dudok, T., Skab, I., Mys, O., Krupych, O., Nastishin, Yu. A., Kurochkin, O., Nazarenko, V., Ryzhov, Ye., Chernenko, A. D., & Vlokh R. (2023). Optical vector vortices generated with circularly planar and circularly hybrid nematic cells. Ukrainian Journal of Physical Optics, 24(1), 22-45.
      doi:10.3116/16091833/24/1/22/2023
    29. Nastyshyn, S. Y., Bolesta, I. M., Tsybulia, S. A., Lychkovskyy, E., Yakovlev, M. Y., Ryzhov, Y., Vankevych, P. I. & Nastishin, Y. A. (2018). Differential and integral Jones matrices for a cholesteric. Physical Review A, 97(5), 053804.
      doi:10.1103/PhysRevA.97.053804
    30. Nastyshyn, S. Y., Bolesta, I. M., Tsybulia, S. A., Lychkovskyy, E., Fedorovych, Z. Y., Khaustov, D. Y., Ryzhov, P. I. Vankevych, & Nastishin, Y. A. (2019). Optical spatial dispersion in terms of Jones calculus. Physical Review A, 100(1), 013806.
      doi:10.1103/PhysRevA.100.013806
    31. Ditchburn, R.W. (1953). Light. Blackie & Son Limited, Hardcover.

    На основі зміщення інтерференційних смуг на інтерферограмах Маха-Цендера нами виявлена крайова дислокація оптичного хвильового фронту лазерного пучка, який поширюється через нематичну θ–комірку з круговим і лінійним планарним розташуванням нематичного директора на протилежних підкладках. Використовуючи підхід диференціальних матриць Джонса, встановлено, що півперіодний зсув інтерференційних смуг відповідає зсуву фаз рівному π в областях із протилежним напрямком повороту директора, тобто по різні боки від нематичної дисклінації, що розділяє ці області. Ключові слова: крайова дислокація оптичного хвильвого фронту, оптичний вихор, нематична θ–комірка, нематична q-пластинка, енантіоморфні домени, зсув фаз

    Ключові слова: optical edge dislocation, optical vortex, nematic θ-cell, nematic q-plate, enantiomorphic domains, optical phase shift


© Ukrainian Journal of Physical Optics ©