2015: Преобразование сингулярностей поляризации методами нелинейной оптики

Физики МГУ (проф. В.А.Макаров, асп. К.С.Григорьев и н.с. И.А.Пережогин, кафедра общей физики и волновых процессов физфака МГУ и МЛЦ МГУ) теоретически исследовали преобразование сингулярноcтей поляризации световых пучков при генерации суммарной частоты в объеме изотропной среды с пространственной дисперсией оптического отклика.

Сингулярная оптика, зародившаяся на рубеже 80-х годов ХХ века, исследует тонкую структуру светового поля – геометрические каустики, фазовые дислокации, в которых обращается в нуль его интенсивность, и поляризационные сингулярности или C-точки, в которых эллипс поляризации вырождается в окружность. Описаны многочисленные способы искусственного создания сингулярных световых пучков с заданными характеристиками, разрабатываются все более точные методы детектирования оптических сингулярностей. Основные понятия сингулярной оптики обобщаются для случая импульсных электромагнитных пучков, в том числе фемтосекундного диапазона.

Интерес к оптическим сингулярностям естественным образом проник в нелинейную оптику, несмотря на резко возрастающую сложность теоретических исследований. Как правило, авторы рассматривают нелинейное взаимодействие волн без учета изменения их поляризации, тем самым ограничиваясь случаем фазовых сингулярностей, иначе называемых оптическими вортексами. Однако, проведенные ранее исследования, принципиальным моментом которых был учет векторной структуры поля светового пучка и его продольной составляющей, показали, что даже в изотропной среде с пространственной дисперсией нелинейности возможна генерация сильно неоднородно поляризованных пучков, содержащих поляризационные сингулярности. В настоящем исследовании впервые установлены основные закономерности преобразования топологических характеристик излучения, изначально содержащего сингулярности поляризации, в процессах трехволнового смешения в изотропной нелокальной среде. Аналитически показано, что изменяя топологические характеристики сингулярностей в пучках основного излучения, можно управлять количеством и структурой C-линий в сигнальном пучке, а также процессами рождения и уничтожения C-точек. Выявлена определяющая роль топологического заряда исходной сингулярности в формировании пространственной структуры сигнального пучка с тем или иным суммарным топологическим зарядом.

Результаты исследований опубликованы в статье: K.S. Grigoriev, V.A. Makarov and I.A. Perezhogin, “Polarization singularities in a sum-frequency light beam generated by a bichromatic singular beam in the bulk of an isotropic nonlinear chiral medium”, Phys. Rev. A 92, 023814 (2015).