Особенности трансформации гауссова пучка в оптической схеме из аксикона и двуосного кристалла

Исследована трансформация светового пучка конического типа двуосным кристаллом при распространении вдоль одной из его оптических осей. Пучок формируется аксиконом из гауссова входного поля циркулярной поляризации. В зависимости от положения аксикона на кристалл падает или бесселев пучок, или смесь бесселева с коническим. Проведен расчет коэффициента преобразования из бесселева пучка нулевого порядка в пучок первого порядка, обладающий фазовой дислокацией. Показано, что если угол конуса пучка и его диаметр достаточно большие, то он преобразуется в поле, которое с высокой точностью является бессель-гауссовым пучком первого порядка. При этом коэффициент преобразования близок к единице. Исследован также случай малого угла конуса падающего бесселева пучка. Показано, что в этом случае эффективность трансформации существенно зависит от вида пространственного спектра. При малом угле конуса вид пространственного спектра определяется диаметром падающего гауссова пучка, а именно: по мере уменьшения диаметра спектр пучка изменяется от кольцевого к близкому к гауссову, проходя через промежуточную форму в виде суперпозиции этих двух профилей. Влияние пространственного спектра состоит в том, что коэффициент преобразования уменьшается с уменьшением вклада в спектр кольцевой компоненты. При этом коэффициент преобразования всегда выше, чем для схемы без аксикона, когда на кристалл падает гауссов пучок. Следовательно, введение в пучок даже небольшой конусности, что может быть реализовано, например, с помощью схемы с двумя аксиконами с близкими углами отклонения луча, позволяет повысить коэффициент трансформации поля. Полученные результаты представляют и практический интерес, в частности для разработки лазерных излучателей полей конического типа с малым углом конуса для зондирования на дальние расстояния и оптической связи в свободном пространстве.

1. Berry, M. V. Conical diffraction: observations and theory / M. V. Berry, M. R. Jeffrey, J. G. Lunney // Proc. R. Soc. A. – 2006. – Vol. 462, № 2070. – P. 1629–1642. https://doi.org/10.1098/rspa.2006.1680

2. Peet, V. Biaxial crystal as a versatile mode converter / V. Peet // J. Opt. – 2010. – Vol. 12, № 9. – P. 095706. https://doi.org/10.1088/2040-8978/12/9/095706

3. Peet, V. Improving directivity of laser beams by employing the effect of conical refraction in biaxial / V. Peet // Opt. Express. – 2010. – Vol. 18, № 19. – P. 19566–19573. https://doi.org/10.1364/oe.18.019566

4. Conical diffraction and Bessel beam formation with a high optical quality biaxial crystal / C. F. Phelan [et al.] // Opt. Express. – 2009. – Vol. 17, № 15. – P. 12891–12899. https://doi.org/10.1364/oe.17.012891

5. Conical refraction: Fundamentals and applications / A. Turpin [et al.] // Laser Photon. Rev. – 2016. – Vol. 10, № 5. – P. 750–771. https://doi.org/10.1002/lpor.201600112

6. Peet, V. Experimental study of internal conical refraction in a biaxial crystal with Laguerre – Gauss light beams / V. Peet // J. Opt. – 2014. – Vol. 16, № 7. – P. 075702 (8 pp). https://doi.org/10.1088/2040-8978/16/7/075702

7. Conical refraction Nd:KGd(WO4)2 laser / A. Abdolvand [et al.] // Opt. Express. – 2010. – Vol. 18, № 3. – P. 2753–2759. https://doi.org/10.1364/oe.18.002753

8. Conical diffraction and Bessel beam formation with a high optical quality biaxial crystal / C. F. Phelan [et al.] // Opt. Express. – 2009. – Vol. 17, № 15. – P. 12891–12899. https://doi.org/10.1364/oe.17.012891

9. Phelan, C. F. Generation of a radially polarized light beam using internal conical diffraction / C. F. Phelan, J. F. Donegan, J. G. Lunney // Opt. Express. – 2011. – Vol. 19, № 22. – P. 21793–21802. https://doi.org/10.1364/oe.19.021793 10. Peet, V. Conical refraction and formation of multiring focal image with Laguerre – Gauss light beams / V. Peet // Opt. Lett. – 2011. – Vol. 36, № 15. – P. 2913–2915. https://doi.org/10.1364/ol.36.002913

10. Belskii, A. Internal conical refraction of bounded light beams in biaxial crystals / A. Belskii, A. Khapalyuk // Opt. Spectrosc. – 1978. – Vol. 44. – P. 436–439.

11. Belsky, A. M. Internal conical refraction of coherent light beams / A. M. Belsky, M. A. Stepanov // Opt. Commun. – 1999. – Vol. 167, № 1–6. – P. 1–5. https://doi.org/10.1016/s0030-4018(99)00251-5

12. Berry, M. V. Conical diffraction asymptotics: Fine structure of Poggendorff rings and axial spike / M. V. Berry // J. Opt. A: Pure Appl. Opt. – 2004. – Vol. 6, № 14. – P. 289–300. https://doi.org/10.1088/1464-4258/6/4/001

13. Kazak, N. S. Generation of Bessel light beams under the conditions of internal conical refraction / N. S. Kazak, N. A. Khilo, A. A. Ryzhevich // Quantum Electron. – 1999. – Vol. 29, № 11. – P. 1020–1024. https://doi.org/10.1070/qe1999v029n11abeh001627

14. Formation of higher-order Bessel light beams in biaxial crystal / King T. A. [et al.] // Opt. Commun. – 2001. – Vol. 187, № 4–6. – P. 407–414. https://doi.org/10.1016/s0030-4018(00)01124-x

15. Stepanov, M. A. Transformation of Bessel beams under internal conical refraction / M. A. Stepanov // Opt. Commun. – 2002. – Vol. 212, № 1–3. – P. 11–16. https://doi.org/10.1016/s0030-4018(02)01993-4

16. Khilo, N. A. Conical diffraction and transformation of Bessel beams in biaxial crystals / N. A. Khilo // Opt.

17. Commun. – 2013. – Vol. 286. – P. 1–5. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2012.07.030

18. Filippov, V. V. Negative thermo-optical coefficient and athermal directions in monoclinic KGd(WO4)2 and KY(WO4)2 laser host crystals in the visible region / V. V. Filippov, N. V. Kuleshov, I. T. Bodnar // Appl. Phys. B. – 2007. – Vol. 87, № 4. – P. 611–614. https://doi.org/10.1007/s00340-007-2666-y

19. Формирование бесселевых световых пучков на больших расстояниях из кольцевых полей / Н. А. Хило [и др.] // Вес. Нац. акад. навук Беларусі. Сер. фіз.-мат. навук. – 2022. – Т. 58, № 1. – С. 90–100. https://doi.org/10.29235/1561-24302022-58-1-90-100