Анотація до роботи:

Фельде Х.В. Дифракційна діагностика фазових сингулярностей в оптичних полях. – Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.05 – оптика, лазерна фізика. Чернівецький національний університет ім. Юрія Федьковича, Чернівці, 2005.

У роботі обґрунтовано новий метод діагностики фазових сингулярностей в хвильових полях, що базується на моделі дифракційних явищ Юнга-Рубіновича. Метод реалізується шляхом розташування непрозорої стрічки у тестованому сингулярному пучку й спостереження юнгівських інтерференційних смуг у геометричній тіні стрічки. Напрямок та величина вигину інтерференційних смуг визначають, відповідно, знак та абсолютне значення топологічного заряду оптичного вихору; сингулярність типу нелокалізованої темної інтерференційної смуги діагностується за розривом і зсувом інтерференційних смуг в околі такої сингулярності. Даний метод дає інформацію про фазові сингулярності просторової функції когерентності поля, а не про дислокації звичайної комплексної амплітуди, як традиційний інтерферометричний метод. Дифракційний аналіз застосовано для діагностики фазових сингулярностей функції когерентності та комплексного ступеня когерентності частково просторово когерентних пучків; для виявлення нетипових векторних сингулярностей у комбінованих просторово неоднорідно поляризованих пучках; а також для діагностики фазоспряжених реплік вихрових пучків.

У дисертації запропоновано новий розв’язок проблеми експериментального аналізу фазових сингулярностей у світлових полях, а саме, обґрунтовано і реалізовано дифракційний метод виявлення та визначення параметрів фазових сингулярностей у повністю та частково когерентних оптичних пучках без використання спеціальної опорної хвилі. Цей результат досягнуто завдяки залученню нетрадиційної моделі дифракційних явищ Юнга-Рубіновича (моделі крайової дифракційної хвилі).

1. Показано, що діагностика фазових сингулярностей в оптичних полях може бути здійсненою без використання опорної хвилі: шляхом виконання інтерференційного експерименту Юнга у його початковому варіанті – із непрозорою стрічкою, розташованою у досліджуваному пучку, який дифрагує на краях стрічки. При цьому, оптичні вихори діагностуються за характерним вигином юнгівських інтерференційних смуг в області геометричної тіні дифракційного екрану, напрямок вигину яких однозначно пов’язаний із знаком топологічного заряду вихору, а величина вигину – із модулем топологічного заряду; фазові сингулярності хвильового фронту типу нелокалізованої темної інтерференційної смуги діагностуються за розривом і зсувом інтерференційних смуг в околі такої сингулярності.

2. Показано, що даний метод надає інформацію про фазові сингулярності просторової функції когерентності поля, а не про дислокації хвильового фронту поля комплексних амплітуд, як у випадку інтерферометричного (із спеціальною опорною хвилею) тестування строго когерентних сингулярних пучків. Суттєві переваги дифракційного методу полягають у граничній простоті технічної реалізації й у відсутності необхідності в апріорній інформації про співвідношення параметрів тестованого та опорного пучків, без втрати однозначності результату діагностики.

3. На прикладі частково просторово когерентних комбінованих сингулярних пучків із сепарабельною фазою продемонстровано ефективність дифракційного методу для діагностики сингулярностей просторової функції когерентності. Реалізовано комплексну юнгівську діагностику фазових сингулярностей у таких пучках – як центральних вихорів функції когерентності, так і нелокалізованих сингулярностей комплексного ступеня когерентності. Даний метод діагностики фазових сингулярностей в оптичних полях є, на сьогоднішній день, єдиним засобом експериментального аналізу топологічно стійких дислокацій кореляційних функцій у частково просторово когерентних вихрових пучках, де використання окремої опорної хвилі, когерентної одночасно з усіма (взаємно некогерентними) компонентами комбінованого пучка, у загальному випадку неможливе.

Експериментально продемонстровано, що фазова сингулярність комплексного ступеня когерентності може реалізуватись за відсутності нулів амплітуди (і фазових сингулярностей) як у комбінованому пучку, так і у кожній з його компонент.

4. На прикладі комбінованих просторово неоднорідно поляризованих пучків показано ефективність дифракційного методу при діагностиці векторних сингулярностей – сингулярностей форми еліпса поляризації й продемонстровано виникнення у таких пучках специфічних векторних сингулярностей: замкнених ліній (контурів циркулярної поляризації) та ліній (контурів лінійної поляризації) із постійним азимутом поляризації, а також (при некогерентному змішуванні мод) контурів сингулярності ступеня поляризації. Такі контури є аналогами фазових сингулярностей у Лагер-Гаусових модах типу нелокалізованої темної інтерференційної смуги, а також кільцевих нелокалізованих сингулярностей комплексного ступеня когерентності у частково когерентних скалярних комбінованих пучках.

5. Реалізовано самообертання сингулярних пучків за статичними голограмами, нелінійно зареєстрованими зі стоячими опорними хвилями. Методом дифракційного тестування показано, що при нелінійно-голографічному самообертанні оптичних вихорів просторова структура фазового гелікоїда залишається незмінною, - на відміну від випадку звичайного дзеркального відбивання вихрового пучка. Перетворення фазового гелікоїда у дослідженому випадку аналогічне до перетворення еліпса поляризації при самообертанні звичайного (несингулярного) еліптично поляризованого пучка. Тим самим, отримано перше пряме експериментальне підтвердження фазоспряжуючих властивостей статичної голограми, нелінійно зареєстрованої зі стоячою опорною хвилею. Експериментально продемонстровано можливість самообертання високозарядних оптичних вихорів.

Публікації автора:

1. Bogatyryova H.V., Felde Ch.V., Polyanskii P.V. // Optica Applicata. – 2003. – V. 33, No. 4. – P. 695-708.

2. Bogatyryova H.V., Felde Ch.V., Polyanskii P.V., Ponomarenko S.A., Soskin M.S., Wolf E. Partially coherent vortex beams with a separable phase // Optics Letters. – 2003. – V.28, No. 5. – P. 878-880.

3. Felde Ch.V. Young’s diagnostics of phase singularities of the spatial coherence function at partially coherent singular beams // Ukr. J. Phys. – 2004. – Vol. 49, No. 5. – P. 473-480.

4. Богатырева Г.В., Фельде К.В., Полянский П.В., Соскин М.С. Нетипичные поляризационные сингулярности в комбинированных вихревых пучках // Оптика и спектроскопия. – 2004. – Т. 97, № 5. – С. 833-840.

5. Полянский П.В., Фельде К.В. Статико-голографическое фазовое сопряжение вихревых пучков // Оптика и спектроскопия. – 2005. – Т. 98, № 6. – С. 913-918.

6. Polyanskii P.V., Felde Ch.V. Quadric hologram-based self-conjugation of vortex beams // Semicond. Phys., Quant. Electron. & Optoelectronics – 2005. – V.8, No. 2 – P.833-840.

7. Felde Ch.V. Diffraction diagnostics of phase singularities in optical fields // Proc. SPIE. – 2004. - V. 5477. – P. 67-76.

8. Felde Ch.V. Diffraction diagnostics of phase singularities in optical fields // Proc. 8^th International Conference “Optoelectronic and Electronic Sensors” (COE 2004), Wroclaw. – 2004. – P. 596-597.

9. Felde Ch.V., Polyanskii P.V. Nonlinear-holographic phase reversion of singular optical beams // Abstr. 2^nd International Conference “Advanced Topics on Optoelectronics, Microelectronics and Nanotechnologies” (ATOM-N 2004), Bucharest, Romania. – 2004. – P. 22-23.