تعیین دقیق شعاع گردابه‌های نوری تولید‌شده توسط توری‌های پراش چنگالی شکل

خلیلی اول, حسین; رشیدیان وزیری, محمدرضا; رستگار مقدم, هادی

تعیین دقیق شعاع گردابه‌های نوری تولید‌شده توسط توری‌های پراش چنگالی شکل

نوع مقاله : فیزیک - اپتیک و لیزر

نویسندگان

¹ کارشناسی ارشد، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران

² دانشیار،دانشگاه علوم پزشکی مشهد ، مشهد، ایران

³ استادیار، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران

چکیده

در سال‌های اخیر، گردابه‌های نوری به‌عنوان باریکه‌هایی با ساختار موج مارپیچی و ویژگی‌های فازی منحصربه‌فرد، توجه گسترده‌ای را در حوزه‌های نوری و فناوری‌های نوین به خود جلب کرده‌اند. در این پژوهش، تولید گردابه‌های نوری از طریق پراش باریکه‌های گاؤسی توسط توری‌های چنگالی شکل موردبررسی قرارگرفته و یک مدل تحلیلی دقیق برای استخراج شعاع ناحیه تاریک گردابه ارائه‌شده است. این مدل بر پایه تحلیل‌های نظری مبتنی بر بسط ژاکوبی–انجر و تبدیل فوریه در تقریب فران هوفر بناشده و به‌طور صریح رابطه کمی بین بار توپولوژیک و شعاع گردابه را استخراج می‌کند. به‌منظور اعتبارسنجی مدل نظری، شبیه‌سازی‌های عددی و آزمایش‌های انجام‌شده با استفاده از لیزر هلیوم–نئون و مدولاتور فضایی نور به‌عنوان شواهد پشتیبان ارائه‌شده‌اند. نتایج نشان می‌دهد که مدل پیشنهادی قادر است تغییرات شعاع گردابه را با دقت بالا پیش‌بینی کند. این رویکرد می‌تواند به طراحی بهینه سامانه‌های نوری در حوزه‌هایی مانند میکرو دست‌کاری، ارتباطات نوری و پرداز لیزرشی کمک کرده و مبنایی برای توسعه مدل‌های پیشرفته‌تر در آینده فراهم آورد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

فیزیک- اپتیک و لیزر

عنوان مقاله [English]

Precise Determination of Optical Vortex Radius Generated by Fork-Shaped Diffraction Gratings

نویسندگان [English]

Hossein Khalili Avval ¹
Mohammad Reza Rashidian Vaziri ²
Hadi Rategar Moghaddam ³

¹ Master's degree, Mashhad University of Medical Sciences, Mashhad, Iran

² Associate Professor, Mashhad University of Medical Sciences, Mashhad, Iran

³ Assistant Professor, Mashhad University of Medical Sciences, Mashhad, Iran

چکیده [English]

In recent years, optical vortices, as beams with a helical wave structure and unique phase characteristics, have attracted significant attention in the fields of optics and emerging technologies. In this study, the generation of optical vortices through the diffraction of Gaussian beams by fork‑shaped gratings is investigated, and an accurate analytical model is presented for extracting the radius of the vortex dark region. This model is founded on theoretical analyses employing the Jacobi–Anger expansion and Fourier transform in the Fraunhofer approximation, and explicitly derives a quantitative relationship between the topological charge and the vortex radius. To validate the theoretical model, numerical simulations and experiments carried out using a helium–neon laser and a spatial light modulator to provide the supporting evidence. The results demonstrate that the proposed model can predict variations in the vortex radius with high accuracy. This approach can contribute to the optimal design of optical systems in areas such as optical micromanipulation, optical communications, and laser processing, which can provide a foundation for the development of more advanced models in future research.

کلیدواژه‌ها [English]

Optical Vortex
Orbital Angular Momentum
Fork-Shaped Diffraction Grating
Fourier Transform
Numerical Simulation

مراجع

[1] Shen, Y.; Wang, X.; Xie, Z.; Min, C.; Fu, X.; Liu, Q.; Gong, M.; Yuan, X. “Optical Vortices 30 Years on: OAM Manipulation from Topological Charge to Multiple Singularities”; Light Sci. Appl. 2019, 8, 90. DOI: 10.1038/s41377-019-0194-2.

[2] Rashidian Vaziri, M. R. “Comment on ‘Nonlinear Refraction Measurements of Materials Using the Moiré Deflectometry”; Opt. Commun. 2015, 357, 200–201. DOI: 10.1016/j.optcom. 2014.09.017.

[3] Born, M.; Wolf, E. “Principles of Optics: Electromagnetic Theory of Propagation, Interference and Diffraction of Light”; Elsevier, 2013, DOI: 10.1063/1.1325200.

[4] Stoyanov, L.; Topuzoski, S.; Stefanov, I.; Janicijevic, L.; Dreischuh, A. “Far Field Diffraction of an Optical Vortex Beam by a Fork-Shaped Grating”; Opt. Commun. 2015, 350, 301–308. DOI: 10.1016/j.optcom.2015.04.020.

[5] Rashidian Vaziri, M. R. “Measuring the Absorbed Dose of Electron Radiation in Water Phantom Using Digital Holography Technique with a Laser Beam”; J. Adv. Def. Sci. Technol. 2018, 9, 477–485, DOR: 10.1140/epjp/s13360-020-00443-3.

[6] M. R. R. Vaziri, A. Hosseini, E. G. Hatam, and R. A. Sorodi, “A Simple Method to Prepare and Characterize Optical Fork-Shaped Diffraction Gratings for Generation of Orbital Angular Momentum Beams“; J. Opt., pp. 1–10, 2024, DOI: 10.1007/s12596-024-02154-9

[7] Bouchal, Z. “Composition of the Angular Spectrum of the Pseudo-Nondiffracting Beams“; Opt. Commun. 2001, 197, 23–35. DOI: 10.1016/S0030-4018(01)01415-8

[8] Siviloglou, G. A.; Broky, J.; Dogariu, A.; Christodoulides, D. “Observation of Accelerating Airy Beams“; Phys. Rev. Lett. 2007, 99, 213901. DOI: 10.1103/PhysRevLett.99. 213901.

[9] Nosratpour, A.; Heydarian, K. “Simulation and Analysis of the All-Optical NOT Logic Gate by XPM Mechanism Using Mach-Zehnder Interferometer Based on Photonic Crystal Semiconductor Optical Amplifier“; Appl. Electromagn. 2023, 11, 57–67. DOI: 10.30503/jcs.2023.40863.

[10] Vasnetsov, M.; Pas’ko, V.; Soskin, M. “Analysis of Orbital Angular Momentum of a Misaligned Optical Beam“; New J. Phys. 2005, 7, 46. DOI: 10.1088/1367-2630/7/1/46.

[11] Allen, L.; Beijersbergen, M. W.; Spreeuw, R.; Woerdman, J. “Orbital Angular Momentum of Light and the Transformation of Laguerre-Gaussian Laser Modes“; Phys. Rev. A 1992, 45, 8185. DOI: 10.1103/PhysRevA.45.8185.

[12] Molina-Terriza, G.; Torres, J. P.; Torner, L. “Twisted Photons“; Nat. Phys. 2007, 3, 305–310. DOI: 10.1038/nphys607.

[13] Guo, Z.; Chang, Z.; Meng, J.; An, M.; Jia, J.; Zhao, Z.; Wang, X.; Zhang, P. “Generation of Perfect Optical Vortex by Laguerre–Gauss Beams with a High-Order Radial Index“; Appl. Opt. 2022, 61, 5269–5273. DOI: 10.1364/AO.461251.

[14] Mimeau, C.; Mortazavi, I. “A Review of Vortex Methods and their Applications: From Creation to Recent Advances”; Fluids 2021, 6, 68. DOI: 10.3390/fluids6020068.

[15] Vaity, P.; Rusch, L. “Perfect Vortex Beam: Fourier Transformation of a Bessel Beam”; Opt. Lett. 2015, 40, 597–600. DOI: 10.1364/OL.40.000597.

[16] Khalili Avval, H.; Rashidian Vaziri, M. R.; Rastegar Moghaddam, H. “Spinning Multiplexed Laguerre–Gaussian Beams”; Opt. Quantum Electron. 2025, 57, 189. DOI: 10.1007/s11082-025-08119-x.