zhpsЖурнал прикладной спектроскопииZhurnal Prikladnoii Spektroskopii0514-7506B. I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Scienceszhps-1801Research ArticleЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯLASER SPECTROSCOPYВлияние имитатора турбулентности атмосферы на параметры бесселева светового пучка при различных конфигурациях оптической схемыInfluence of the Atmosphere Turbulence Simulator on the Parameters of the Bessel Light Beam at Different Configurations of the Optical SetupРыжевичА. А.RyzhevichA. A.

Минск

Minsk

a.ryzhevich@dragon.bas-net.byБалыкинИ. В.BalykinI. V.

Минск

Minsk

ЖелезняковаТ. А.ZheleznyakovaT. A.

Минск

Minsk

tol222@mail.ruКазакН. С.KazakN. S.

Минск

Minsk

lod@dragon.bas-net.byИнститут физики НАН Беларуси; Белорусский государственный университетB. I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Sciences of Belarus; Belarusian State UniversityИнститут физики НАН БеларусиB. I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Sciences of BelarusБелорусский государственный университетBelarusian State UniversityГНПО “Оптика, оптоэлектроника и лазерная техника”SSPA “Optics, Optoelectronics and Laser Technology”202527032025922152160Copyright © Рыжевич А.А., Балыкин И.В., Железнякова Т.А., Казак Н.С., 20252025Рыжевич А.А., Балыкин И.В., Железнякова Т.А., Казак Н.С.Ryzhevich A.A., Balykin I.V., Zheleznyakova T.A., Kazak N.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://zhps.ejournal.by/jour/article/view/1801

Проведено комплексное исследование влияния среды с оптическими неоднородностями на параметры бесселевых световых пучков (БСП), формируемых в двух конфигурациях оптической установки. В конфигурации I через имитатор турбулентности атмосферы (ИТА) вначале пропускается гауссов (либо лагерр-гауссов) световой пучок, затем из него с помощью аксикона формируют БСП нулевого (первого) порядка. В конфигурации II через ИТА сразу пропускают БСП нулевого (первого) порядка, сформированный из гауссова (лагерр-гауссова) светового пучка. Наличие турбулентности с внутренним масштабом, меньшим, чем диаметр проходящего через нее светового пучка, оказывает существенное влияние на параметры качества БСП, формируемых в обеих конфигурациях. Наиболее чувствительным из них является параметр постоянства, наименее чувствительным — параметр круглости. С увеличением расстояния от аксикона чувствительность всех параметров качества увеличивается. На наличие оптических неоднородностей, существенно больших по размеру, чем диаметр проходящего через ИТА светового пучка, хорошо реагирует положение оси БСП. В связи с тем, что формировать БСП нулевого порядка гораздо проще, чем формировать БСП первого порядка, для исследований турбулентности оптимально применять БСП нулевого порядка. Для однозначности и простой интерпретации получаемых результатов целесообразно использовать пропускание через ИТА гауссова светового пучка в конфигурации I. Полученные результаты могут быть использованы для разработки анализаторов (детекторов) неоднородности в жидкой либо газообразной среде в природных условиях и на производстве, а также для проверки качества протяженных прозрачных изделий.

Influence of media containing optical inhomogeneities on the Bessel light beam (BLB) parameters has been studied comprehensively. BLB have been formed by optical setup in two configurations. In configuration I Gaussian (or Laguerre-Gaussian) laser beam is propagating through atmospheric turbulence simulator (ATS). The resulting distorted beam is then used to form the BLB with help of an axicon. In the case of incident Gaussian beam the BLB of the zero order is formed, in the case of Laguerre-Gaussian beam the first order BLB is formed. In configuration II BLB of the zero or the first order is propagating through ATS. Original Gaussian and Laguerre-Gaussian beams correspondingly are undisturbed in this case. The presence of a turbulence of inner scale lower than the diameter of propagating through it laser beam causes significant change in BLB quality parameters in both configurations. The most sensitive is the parameter of constancy, the least sensitive is the parameter of roundness. With the increase of a distance from axicon the sensitivity of all quality parameters increases. Large scale inhomogeneities, that are significantly larger than the diameter of propagating through ATS beam, cause substantial change in beam axis location. Due to the fact, that BLB of the zero order is much easily formed than BLB of the first order, it is optimal to use BLB of the zero order to investigate the turbulence. For unambiguity and more clear interpretation of the obtained results, it is rational to use configuration I with Gaussian beam. The results obtained can be used for the development of analyzers (detectors) of heterogeneity in liquid or gaseous media in natural conditions and in industry, as well as for the quality assessment of extended transparent products.

аксиконгауссов световой пучокбесселев световой пучокпараметры качества бесселева светового пучкаимитатор турбулентности атмосферыaxiconGaussian light beamBessel light beamBessel light beam quality parametersatmosphere turbulence simulatorРабота выполнена в рамках задания 1.1 “Разработка методов и устройств диагностики материалов, процессов и изделий в оптическом и терагерцовом диапазонах спектра и их применение для оптической связи, микроскопии и определения характеристик различных объектов” (№ гос. рег. 20210300 от 23.03.2021) ГПНИ “Фотоника и электроника для инноваций” (2021—2025 гг.).ReferencesД. Стробен. Распространение лазерного пучка в атмосфере, пер. с англ., Мир, Москва (1981)Д. Стробен. Распространение лазерного пучка в атмосфере, пер. с англ., Мир, Москва (1981)L. C. Andrews, R. L. Phillips. Laser Beam Propagation Through Random Media, 2nd ed., SPIE (2005), https://doi.org/10.1117/3.626196L. C. Andrews, R. L. Phillips. Laser Beam Propagation Through Random Media, 2nd ed., SPIE (2005), https://doi.org/10.1117/3.626196A. Tunick. Opt. Express, 16, N 19 (2008) 14645, https://doi.org/10.1364/oe.16.014645A. Tunick. Opt. Express, 16, N 19 (2008) 14645, https://doi.org/10.1364/oe.16.014645А. Н. Колмогоров. Докл. АН СССР, 30, № 4 (1941)А. Н. Колмогоров. Докл. АН СССР, 30, № 4 (1941)H. G. Booker, J. A. Ferguson, H. O. Vats. J. Atm. Terrestrial Phys., 47, N 4 (1985) 381—399, https://doi.org/10.1016/0021-9169(85)90018-2H. G. Booker, J. A. Ferguson, H. O. Vats. J. Atm. Terrestrial Phys., 47, N 4 (1985) 381—399, https://doi.org/10.1016/0021-9169(85)90018-2L. C. Andrews, R. L. Phillips, A. R. Weeks. Waves Random Media, 7, N 2 (1997) 229—244, https://doi.org/10.1088/0959-7174/7/2/005L. C. Andrews, R. L. Phillips, A. R. Weeks. Waves Random Media, 7, N 2 (1997) 229—244, https://doi.org/10.1088/0959-7174/7/2/005S. S. Chesnokov, V. P. Kandidov, V. I. Shmalhausen, V. V. Shuvalov. Numerical/Optical Simulation of Laser Beam Propagation Through Atmospheric Turbulence, Defense Technical Information Center (1996), https://apps.dtic.mil/sti/pdfs/ADA311320.pdfS. S. Chesnokov, V. P. Kandidov, V. I. Shmalhausen, V. V. Shuvalov. Numerical/Optical Simulation of Laser Beam Propagation Through Atmospheric Turbulence, Defense Technical Information Center (1996), https://apps.dtic.mil/sti/pdfs/ADA311320.pdfZ. Zeng, X. Luo, A. Xia, Y. Zhang, C. Sun. Optik, 125, N 15 (2014) 4092—4097, https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2014.01.106Z. Zeng, X. Luo, A. Xia, Y. Zhang, C. Sun. Optik, 125, N 15 (2014) 4092—4097, https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2014.01.106T. A. Rhoadarmer, J. R. P. Angel. Appl. Opt., 40, N 18 (2001) 2946, https://doi.org/10.1364/ao.40.002946T. A. Rhoadarmer, J. R. P. Angel. Appl. Opt., 40, N 18 (2001) 2946, https://doi.org/10.1364/ao.40.002946R. Rampy, D. Gavel, D. Dillon, S. Thomas. Appl. Opt., 51, N 36 (2012) 8769, https://doi.org/10.1364/ao.51.008769R. Rampy, D. Gavel, D. Dillon, S. Thomas. Appl. Opt., 51, N 36 (2012) 8769, https://doi.org/10.1364/ao.51.008769S. V. Mantravadi, T. A. Rhoadarmer, R. S. Glas. Proc. SPIE, 5553, Advanced Wavefront Control: Methods, Devices, and Applications II (2004), https://doi.org/10.1117/12.559933S. V. Mantravadi, T. A. Rhoadarmer, R. S. Glas. Proc. SPIE, 5553, Advanced Wavefront Control: Methods, Devices, and Applications II (2004), https://doi.org/10.1117/12.559933S. Thomas. Proc. SPIE, 5490,Advancementsin Adaptive Optics (2004), https://doi.org/10.1117/12.549858S. Thomas. Proc. SPIE, 5490,Advancementsin Adaptive Optics (2004), https://doi.org/10.1117/12.549858A. Dixit, V. Porwal, A. Kumar, S. K. Mishra. Systematic Characterization of Near-Index-Matched Optics Based Atmospheric Turbulence Simulator. MAPAN, 35, N 2 (2020) 221—232, https://doi.org/10.1007/s12647-020-00370-9A. Dixit, V. Porwal, A. Kumar, S. K. Mishra. Systematic Characterization of Near-Index-Matched Optics Based Atmospheric Turbulence Simulator. MAPAN, 35, N 2 (2020) 221—232, https://doi.org/10.1007/s12647-020-00370-9E. Pinna, A. T. Puglisi, S. Esposito, A. Tozzi, A. V. Goncharov. Proc. SPIE, 5490, Advancements in Adaptive Optics (2004), https://doi.org/10.1117/12.551964E. Pinna, A. T. Puglisi, S. Esposito, A. Tozzi, A. V. Goncharov. Proc. SPIE, 5490, Advancements in Adaptive Optics (2004), https://doi.org/10.1117/12.551964S. R. Lange, R. W. Knowlden, T. S. Turner Jr., W. W. Metheny. Proc. SPIE, 0193, Optical Systems in Engineering I (1979), https://doi.org/10.1117/12.957895S. R. Lange, R. W. Knowlden, T. S. Turner Jr., W. W. Metheny. Proc. SPIE, 0193, Optical Systems in Engineering I (1979), https://doi.org/10.1117/12.957895J. Moreno Raso, J. Serrano, H. Argelaguet, M. Lamensans, J. González, A. Martín, C. Pastor, G. Ramos, T. Belenguer, A. Sánchez, L. F. Rodríguez-Ramos. Proc. SPIE, 7736, Adaptive Optics Systems II, 77364B (2010), https://doi.org/10.1117/12.856252J. Moreno Raso, J. Serrano, H. Argelaguet, M. Lamensans, J. González, A. Martín, C. Pastor, G. Ramos, T. Belenguer, A. Sánchez, L. F. Rodríguez-Ramos. Proc. SPIE, 7736, Adaptive Optics Systems II, 77364B (2010), https://doi.org/10.1117/12.856252E. Marchetti, R. Ragazzoni, J. Farinato, A. Ghedina. Proc. SPIE, 2871, Optical Telescopes of Today and Tomorrow (1997), https://doi.org/10.1117/12.268975E. Marchetti, R. Ragazzoni, J. Farinato, A. Ghedina. Proc. SPIE, 2871, Optical Telescopes of Today and Tomorrow (1997), https://doi.org/10.1117/12.268975S. Hippler, F. Hormuth, D. J. Butler, W. Brandner, T. Henning. Opt. Express, 14, N 22 (2006) 10139, https://doi.org/10.1364/oe.14.010139S. Hippler, F. Hormuth, D. J. Butler, W. Brandner, T. Henning. Opt. Express, 14, N 22 (2006) 10139, https://doi.org/10.1364/oe.14.010139A. A. Ryzhevich. Lightmetry: Proc. SPIE, Pultusk, Poland, 5–9 June 2000, 4517, Ed. M. Pluta, SPIE (2000) 16—21A. A. Ryzhevich. Lightmetry: Proc. SPIE, Pultusk, Poland, 5–9 June 2000, 4517, Ed. M. Pluta, SPIE (2000) 16—21А. А.Рыжевич, И.В.Балыкин,Т. А.Железнякова. Журн. прикл. спектр., 85, № 1 (2018) 144—153A. A. Ryzhevich, I. V. Balykin, T. A. Zheleznyakova. J. Appl. Spectr., 85, N 1 (2018) 134—142А. А. Рыжевич, И.В. Балыкин,Т. А.Железнякова. Журн. прикл. спектр., 88, № 5 (2021) 792—806A. A. Ryzhevich, I. V. Balykin, T. A. Zheleznyakova. J. Appl. Spectr., 88, N 5 (2021) 1020—1034А. А. Ryzhevich. J. Opt. Technol., 68, N 3 (2001) 208А. А. Ryzhevich. J. Opt. Technol., 68, N 3 (2001) 208G. I. Taylor. Proc. R. Soc. Lond. A, 164 (1938) 476—490[23] G. I. Taylor. Proc. R. Soc. Lond. A, 164 (1938) 476—490Н. С. Казак, Е. Г. Катранжи, А. А. Рыжевич. Журн. прикл. спектр., 69, № 2 (2002) 242—247N. S. Kazak, E. G. Katranzhi, A. A. Ryzhevich. J. Appl. Spectr., 69, № 2 (2002) 279—285, https://doi.org/10.1023/A:1016105706082

The authors declare that there are no conflicts of interest present.