Geração de feixes de agulhas de vórtices vetoriais e sua propagação em atmosfera turbulenta

A turbulência atmosférica sempre representou um desafio significativo para a propagação estável de lasers, especialmente para transmissão de longa distância em sistemas de comunicação óptica em espaço livre (FSOC). Para mitigar os efeitos adversos da turbulência atmosférica, há uma necessidade urgente de desenvolver feixes ópticos especializados.

Informações do artigo:

Neste estudo, as características de propagação de feixes de agulhas de vórtices vetoriais (VVPBs) no espaço livre são analisadas e derivadas teoricamente, com seus comportamentos em turbulência atmosférica simulados numericamente. Os resultados da simulação mostram que, sob as mesmas condições, os VVPBs exibem índices de cintilação mais baixos e menos desvio do feixe do que os feixes de orifícios (PBs) convencionais durante a transmissão de longa distância. Além disso, tanto os VVPBs quanto os PBs são gerados experimentalmente, e seus índices de cintilação e desvio do feixe são medidos em um ambiente de laboratório com turbulência induzida termicamente. Os dados experimentais validam as descobertas teóricas, confirmando que os VVPBs têm vantagens significativas na redução dos efeitos da turbulência. Espera-se que essas descobertas tenham implicações importantes para o desenvolvimento de tecnologias de comunicação óptica e sensoriamento remoto em espaço livre.

A seguir estão partes dos procedimentos experimentais e resultados:

Para validar os resultados teóricos, primeiro geramos experimentalmente VVPBs e PBs e, em seguida, medimos suas intensidades de propagação em um ambiente turbulento. A configuração experimental é mostrada na figura abaixo. Um feixe de laser polarizado linearmente a 532 nm foi expandido e então dividido em dois caminhos por um divisor de feixe 50:50 (BS1) para formar um interferômetro de Mach-Zehnder. A luz em cada caminho foi refletida por um modulador de luz espacial (SLM) somente de fase para modular a fase e a amplitude do feixe incidente. Os feixes modulados passaram por dois sistemas 4f, que projetam a luz no plano final do sistema 4f com ampliação unitária. Os planos finais de cada sistema 4f foram perfeitamente sobrepostos em BS4, que pode ser considerado o plano da fonte. Duas lentes cilíndricas (CA1 e CA2) foram colocadas nos planos focais traseiros das lentes L1 e L3, respectivamente, para filtrar ordens de difração indesejadas e ruído de fundo. A luz que emergia do BS4 formou um único feixe que passou por uma placa aquecida para gerar turbulência. Após passar pela placa aquecida, o feixe foi registrado por um dispositivo de carga acoplada (CCD). Os hologramas carregados nos dois SLMs foram gerados por computador. A amplitude e a fase nos dois SLMs foram idênticas, exceto que uma fase π/2 adicional foi carregada no SLM2. Isso tornou a luz refletida dos SLMs nos caminhos 1 e 2 ortogonal, permitindo a formação de VVPBs. Além disso, ao bloquear um caminho e alterar o holograma, PBs também puderam ser gerados. Portanto, essa configuração experimental permitiu a geração conveniente de VVPBs e PBs.

Figura 1Configuração experimental para gerar VVPBs e investigar sua propagação em ambientes turbulentos, incluindo expansor de feixe (BE), lentes (L1-L4), dispositivo de carga acoplada (CCD), divisores de feixe (BS), moduladores de luz espacial (SLM1 e SLM2) e aberturas circulares (CA1 e CA2).

Figura 2Comparação entre os resultados da simulação (primeira linha) e os resultados analíticos (segunda linha) das distribuições de intensidade normalizadas para VVPBs no plano z = 400 mm. A terceira linha mostra as comparações transversais entre a primeira e a segunda linhas. A primeira coluna exibe a intensidade total, a segunda coluna mostra a componente x e a terceira coluna mostra a componente y. A barra branca indica 3 mm. As figuras (a) a (f) têm as mesmas dimensões.

Figura 3ilustra o modelo de simulação de VVPBs propagando-se em atmosfera turbulenta.

Figura 4Flutuações de intensidade axial de VVPBs (primeira linha) e PBs (segunda linha) sob diferentes intensidades de turbulência.

Figura 5Distribuições de centroides de feixe de 1000 realizações de intensidade de VVPBs (primeira linha) e PBs (segunda linha) em diferentes intensidades de turbulência.

Figura 6Pontos de feixe de VVPBs registrados por um analisador de perfil de feixe em espaço livre a 1 m do BS4: (a) distribuição de intensidade total, (b) componente x e (c) componente y. Cada painel mede aproximadamente 7×5 mm².

Figura 7Resultados experimentais mostrando a variação de (a) índice de cintilação e (b) desvio do feixe com a temperatura da placa quente para PBs e VVPBs.

Os parâmetros e especificações do modulador de luz espacial do tipo fase usado neste experimento são os seguintes:

Observação: Os diferentes modelos variam em termos de faixa de modulação de fase e eficiência de utilização da luz. Para requisitos específicos, entre em contato com o gerente de vendas da sua região para obter mais detalhes.

Declaração Final:

O modulador espacial de luz (SLM) é um dispositivo optoeletrônico essencial que utiliza o efeito eletro-óptico de materiais de cristal líquido para controlar dinamicamente a distribuição espacial das frentes de onda de luz (incluindo amplitude, fase ou polarização). Como uma ferramenta extremamente poderosa na óptica e fotônica modernas, ele permite a manipulação ativa, precisa e dinâmica da propagação da luz no espaço. Atualmente, os principais métodos para geração de feixes de vórtice incluem o método da placa de fase espiral, o modulador espacial de luz, o holograma gerado por computador, o método de conversão de modo, a metasuperfície, etc. Entre eles, o modulador espacial de luz demonstra vantagens absolutas na alteração dinâmica dos números de carga topológica e outros parâmetros devido à sua programabilidade.

Informações do artigo:

https://doi.org/10.1063/5.0248643