[논문 리뷰] Optical spatial mode sorter of azimuthal and radial components

Nicolas K. Fontaine, Roland Ryf외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 12.

Orbital Angular Momentum in Optics인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 상용 부품을 사용하여 라거르-구스만 모드의 각도 및 반경 방향 인덱스를 분해한 지름이 한계가 있는 점들의 카르테시안 격자로 매핑하는 새로운 광학적 공간 모드 분류기를 제시한다. 이는 210개 이상의 공간 모드를 원천적이고 확장 가능한 방식으로 분류할 수 있게 하여, 광선에서 이론적으로 무한한 공간 자유도를 실용적으로 활용할 수 있게 한다.

ABSTRACT

Splitting a beam into its constituent spectral components using dispersive elements, or polarization components using birefringence, are fundamental and routine operations which allow these properties to be exploited for applications throughout optical physics. However, only limited devices exist for spatially decomposing a beam, meaning this theoretically unbounded degree of freedom can be difficult to exploit in practice. Any beam can be spatially decomposed into the basis of Laguerre-Gaussian modes, which have both an azimuthal and radial component. No device currently exists which can natively sort both components in a manner which scales to large mode counts. We demonstrate a device capable of mapping the azimuthal and radial indices onto a Cartesian grid of diffraction limited spots, for over 210 spatial modes using off-the-shelf optical components.

연구 동기 및 목표

• 광선에서 각도 및 반경 방향 공간 모드 성분을 원천적으로 분류할 수 있는 장치의 부족을 해결하기 위해.
• 확장 가능한 분류 솔루션을 제공하여 광물리학에서 이론적으로 무한한 공간 자유도를 실용적으로 활용할 수 있도록 하기 위해.
• 표준 광학 부품을 사용하여 라거르-구스만 모드 인덱스를 분해한 지름이 한계가 있는 2차원 카르테시안 점 격자로 매핑하는 장치를 구현하기 위해.
• 맞춤형 또는 복잡한 광학 요소 없이도 고모드 수 분류를 달성하기 위해.

제안 방법

• 장치는 라거르-구스만 모드를 출력 점의 카르테시안 격자로 투영하기 위해 위상 및 진폭 조절의 조합을 사용한다.
• 장치는 각도 및 반경 방향 인덱스를 분리하는 공간 모드 분해를 상용 광학 부품을 통해 실행한다.
• 시스템은 반경 및 각도 모드 인덱스를 2차원 출력 평면의 수직 공간 좌표로 매핑한다.
• 설계는 회절 한계가 있는 점 형성 보장을 하여 모드 무결성을 유지하고 고해상도 모드 분류를 가능하게 한다.
• 이 방법은 확장 가능하여 맞춤형 또는 특수 광학 요소 없이도 210개 이상의 공간 모드를 분류할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 한 번의 장치로 확장 가능한 방식으로 라거르-구스만 모드의 각도 및 반경 방향 성분을 동시에 분류할 수 있는가?
• RQ2 단지 상용 광학 부품만을 사용하여 회절 한계가 있는 공간 모드 분류를 달성할 수 있는가?
• RQ3 모드 무결성을 유지하면서 해상 가능한 공간 모드 수를 얼마나 높일 수 있는가?
• RQ4 반경 및 각도 인덱스의 모드 수가 증가함에 따라 장치 성능은 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 장치는 지름이 한계가 있는 점들의 카르테시안 격자에 210개 이상의 공간 모드를 성공적으로 매핑하였다.
• 분류 과정은 각도 및 반경 방향 인덱스 모두에 대해 원천적이라서 두 모드 성분을 동시에 분해할 수 있었다.
• 장치는 단지 상용 광학 부품만을 사용하여 고정밀도 모드 분류를 달성하였다.
• 장치는 모드 수에 대한 확장 가능성을 입증하여 기존 공간 모드 분류 기술의 한계를 극복하였다.