Экспериментально и теоретически изучались особенности регистрации дислокаций и дисклинаций поля линейно поляризованной LP₁₁ моды на выходе из оптического волокна. Найдено, что тип дислокации поля и ее топологический заряд существенно зависят от длины волокна, состояния поляризации опорного пучка и ориентации оси поляризатора на выходе интерферометра. Экспериментально показано, что при циркулярно поляризованном опорном пучке (без поляризатора) регистрируются C⁺ и C^- чисто краевые дисклинации LP₁₁ моды. В схеме поляризационной интерференции при длине волокна, равной четверти длины биений LP₁₁ моды, наблюдается чисто винтовая дислокация с топологическим зарядом l=1 для ориентации оси пропускания поляризатора alpha=Pi/4 и l=-1 для alpha=3/4pi, если опорный пучок линейно поляризован под углом Pi/4 к оси x. При круговой поляризации опорного пучка наблюдается следование угла ориентации чисто краевой дислокации за осью поляризатора; изменение поляризации опорного пучка на противоположную вызывает изменение знака угла следования краевой дислокации. Изучение поля маломодового волокна требует известной осторожности в описании сингулярностей волнового фронта. Встречающиеся оценки среднего числа полевых дислокаций [1] или преобразования их топологических зарядов [2] должны зависеть от способа наблюдения светового поля. В работе [3] было показано, что при скалярной интерференции гауссовых пучков свободного пространства, переносящих топологический заряд, тип наблюдаемой сингулярности зависит от кривизны волнового фронта пучков и направлений их схождения. Наблюдение сингулярностей поля в неоднородной среде требует учета векторных свойств волновых полей. В первой части данной работы нами уже отмечалось, что в линейно поляризованной LP₁₁ моде неоднородной среды основным физическим механизмом эволюции поля является взаимодействие циркулярно поляризованных C⁺ и C^- дисклинаций, которые формируют смешанные типы сингулярностей (наложение сингулярностей различных компонент векторного поля). Экспериментальная регистрация таких смешанных фазовых особенностей, принадлежащих разным поляризациям, требует учета состояния поляризации опорного пучка и также зависит от присутствия в измерительной установке поляризационного анализатора. Целью настоящей работы явилось изучение особенностей экспериментального проявления чистых типов векторных сингулярностей (дислокаций и дисклинаций) LP₁₁ моды поля излучения маломодового волокна при поляризационной интерференции света. Особое внимание обращается на тип наблюдаемой дислокации и ее топологический заряд. 1. Рассмотрим оптическое волокно, возбуждаемое таким образом, что в нем реализуется исключительно LP₁₁ модовая комбинация. Считаем, что поле излучения когерентно складывается с гладким полем с состоянием поляризации (a₀₁ \hat x+a₀₂ \hat y). Суперпозицию этих полей можно представить в виде e-a₁ ( cos delta beta₁z₀cosvarphi i sin delta beta₁z₀sinvarphi ) expiPhi₁ F₁(R) ( a₀₁ a₀₂ ) exp iPhi₂F₀(R), (1) где a₁ - амплитуда LP₁₁ моды, deltabeta₁ - разность постоянных распространения TE₀₁ и HE₂₁ мод, Phi₁=beta z₀+kz,      Phi₂=psi₀+kz cos(theta)+krsin(theta), (2) beta - постоянная распространения LP₁₁ моды в неоднородной среде, r - радиальная координата пучка, theta - угол схождения пучков, F_1,0(R) - функции радиального распределения поля пучков [4]. [!tb] [scale=1.07]6935-1.eps Распределение поля и интерференционные картины поляризационной интерференции LP₁₁ моды (компьютерный расчет). [!tb] Фотографии интерференции LP₁₁ моды и опорного гауссового пучка. Считаем, что поляризатор в оптической схеме отсутствует. Тогда результат измерения поля излучения будет зависеть только от состояния поляризации опорного пучка и длины оптического волокна z₀. Если опорный пучок имеет линейную поляризацию вдоль оси \hat x или \hat y и a₀₁ или a₀₂ равно нулю, то для любой длины волокна z₀ наблюдается чисто краевая дислокация (рис. 1, а). Если опорный пучок линейно поляризован под углом pi/4 (a₀₁=1, a₀₂=1), то на длинах волокна, не кратных четверти длины биений Lambda/4 LP₁₁ моды (Lambda=2pi/deltabeta₁), экспериментально будет регистрироваться смешанная винтовая-краевая дислокация (рис. 1, б). Для длин волокна z₀=Lambda/4(4m+1) наблюдается чисто винтовая дислокация с топологическим зарядом l=+1, а для z₀=Lambda/4(4m+3) также наблюдается чисто винтовая дислокация, но с топологическим зарядом l=-1. Смену знака топологического заряда на длинах волокна, кратных z₀=Lambda/4(4m+1) или z₀=Lambda/4(4m+3), можно наблюдать при изменении азимута линейной поляризации опорного пучка на 90^o (a₀₁=1, a₀₂=-1) (рис. 1, в, г). Для произвольного состояния поляризации и произвольной длины z₀ наблюдается смешанная винтовая-краевая дислокация. Особый интерес представляет случай круговой поляризации опорного пучка. Для правой циркуляции (a₀₁=1, a₀₂=i) опорный пучок избирательно интерферирует с правой циркуляцией поля, в то время как левая циркуляция создает фон. На рис. 1, д наблюдается чисто краевая дислокация с углом наклона psi=deltabeta₁z₀, в точности совпадающем с углом наклона C^- дисклинации. Изменение циркуляции поляризации пучка на противоположную (a₀₁=1, a₀₂=-i) вызовет изменение знака угла psi наблюдаемой чисто краевой дислокации на противоположный знак (psi=-deltabeta₁z₀) (рис. 1, e). Такое изменение угла соответствует тому, что теперь опорный пучок выбирает для интерференции уже C⁺ дисклинацию, ось которой наклонена под углом varphi=-deltabeta₁z₀. Пусть в оптической схеме установлен линейный поляризатор с осью, ориентированной под углом alpha, тогда результаты наблюдения уже будут зависеть как от длины z₀ и состояния поляризации пучка, так и от угла alpha, так что в системе координат, одна из осей которой направлена вдоль оси поляризатора, поле запишется в виде e_alpha=e_xcosalpha+e_ysin alpha. (3) При alpha=0; pi/2 наблюдаются чисто краевые дислокации при любых длинах волокна z₀. Для произвольного угла alpha и произвольного состояния поляризации пучка регистрируется смешанная винтовая-краевая дислокация. Для alpha=pi/4, alpha=3/4pi и z₀=Lambda/4(4m+1) наблюдается чисто винтовая дислокация с топологическими зарядами l=+1 и l=-1 соответственно. Интересное явление наблюдается при циркулярной поляризации опорного пучка после прохождения поляризатора. Для правой циркуляции (a₀₁=1, a₀₂=i) ось краевой дислокации всегда следует за поворотом угла поляризатора alpha. Изменение циркуляции на противоположную (a₀₁=1, a₀₂=-i) вызывает изменение угла отслеживания оси дислокации относительно оси поляризатора (psi=-alpha). Физический механизм описанных явлений связан с неоднородной поляризацией полей оптического волокна. Однородно поляризованный опорный пучок избирательно взаимодействует только с той частью модовой комбинации, которая согласуется с ним по поляризации. Аналогично поляризатор выделяет в опорном и объектном пучках волны с одинаковой поляризацией. 2. Для экспериментального исследования было выбрано маломодовое волокно с диаметром сердцевины rho₀=3.5 мкм и волноводным параметром V=3.6 для длины волны lambda=0.63 мкм. Длина биений составляла Lambda=3.6 м. Волокно помещалось в интерферометр Маха-Цендера (см. I часть статьи). Состояние поляризации опорного пучка регистрировалось посредством вращения поляризатора и lambda/4 пластинки, помещенной в опорный пучок. Волокно обламывалось с интервалом 1 см. Регистрировались картины поляризационной интерференции, углы ориентации осей дислокаций и их топологические заряды при изменении состояния поляризации пучка Q и угла ориентации оси поляризатора alpha. Точность регистрации круговой поляризации составляла Q=0.95± 0.05. На рис. 2 приведены типичные интерференционные картины поля излучения волокна и опорного гауссового пучка (TEM₀₀ лазерная мода). Нами специально выделены чисто винтовые дислокации, изменяющие знак топологического заряда на противоположный при изменении угла alpha=pi/4 на 3/4pi (рис. 2, а, б). Заметим, что для получения именно чисто винтовой дислокации потребовалось помимо подбора длины волокна z₀ еще дополнительное модовое согласование посредством изменения радиуса кривизны волоконной петли, установленной на входной секции волокна. В процессе контрольного эксперимента установлено, что при интерференции поля линейно поляризованной LP₁₁ моды с полем циркулярно поляризованного гауссового пучка изменение знака циркуляции поляризации опорного пучка на противоположную (рис. 2, в, г) вызывает синхронную смену угла ориентации краевой дислокации интерференционной картины psi=deltabeta₁z₀ на psi=-deltabeta₁z₀, хорошо согласующиеся с теоретическим расчетом. Полученные результаты экспериментально подтверждают существование C⁺ дисклинаций поля LP₁₁ моды. Работа выполнена при частичной поддержке Международной Соросовской программы поддержки образования в области точных наук (ISSEP), грант N PSUO62108.

Подсчитывается количество просмотров абстрактов ("html" на диаграммах) и полных версий статей ("pdf"). Просмотры с одинаковых IP-адресов засчитываются, если происходят с интервалом не менее 2-х часов.

Дата начала обработки статистических данных - 27 января 2016 г.