Дифракционная оптика, оптические технологии. Рубрика в журнале - Компьютерная оптика
Модифицированные методы призмы для измерения показателя преломления твердых и жидких веществ
Статья научная
Рассмотрены методы измерений показателя преломления оптически прозрачных диэлектрических материалов. Предложены модифицированные методы, основанные на методах наименьшего отклонения и постоянного отклонения, позволяющие определять показатель преломления трехгранных призм с неизвестными преломляющими углами. В предложенных методах производят измерения углов отклонения света на трех гранях призмы, а показатель преломления материала и преломляющие углы определяют из решения системы уравнений. Для реализации предложенных методов применена гониометрическая система, предназначенная для измерения углов между плоскими поверхностями объектов в ручном и автоматизированном режимах. Исследованы образцы в виде образцовой призмы из оптического стекла марки N-SF1 и полой призмы, заполненной дистиллированной водой. Проведено сравнение предложенных методов и оценка погрешности измерений. Показано, что модифицированные методы можно применять для высокоточных измерений показателя преломления в тех случаях, когда преломляющие углы призмы неизвестны или их измерение связано с техническими трудностями.
Бесплатно
Статья научная
В работе рассматривается задача моделирования распространения электромагнитного излучения в волноводах с продольно-неоднородным распределением показателя преломления. В качестве базового метода моделирования предложен и рассмотрен метод распространяющегося пучка (Beam Propagation Method, ВРМ), выявлены его недостатки. Приведен вывод обобщенных однонаправленных уравнений Гельмгольца, позволяющих нивелировать ряд недостатков традиционного метода. Сформулирован модифицированный метод распространяющегося пучка, основанный на предложенных уравнениях, описана область его применимости.
Бесплатно
Модуляционная неустойчивость волновых пакетов в неоднородных двухмодовых световодах
Статья научная
Исследованы условия возникновения модуляционной неустойчивости волнового пакета в двухмодовом световоде c экспоненциальным профилем неоднородности дисперсии групповых скоростей по длине световода. Получены аналитические выражения интегрального инкремента усиления гармонического возмущения и других важных характеристик, определяющих динамику модуляционной неустойчивости двух взаимодействующих мод в световоде с заданным типом неоднородности.
Бесплатно
Моды планарного градиентного гиперболического секансного волновода
Статья научная
Получены аналитические выражения для ТЕ- и ТМ- мод планарного гиперболического секансного (ГС) волновода, которые являются частным случаем более общих мод, распространяющихся в волноводах Эпштейна. Получено выражение для периода Тальбота (или фокусного расстояния) для ТЕ-мод в планарном ГС-волноводе, и показано, что для ТМ-мод не возникает периодичность и нет фокусировки в ГС-волноводе. Получены выражения для полной ширины по полуспаду интенсивности и нормированной интенсивности для основной ТЕ-моды в ГС-волноводе, и найдены параметры ГС-волновода, при которых ширина основной моды минимальна и равна 0,11 от длины волны. С помощью моделирования программой FullWAVE показано модовое распространение световых полей с начальными аналитически полученными амплитудами в ограниченных ГС-волноводах и периодическое повторение немодовых световых полей в волноводе с периодом Тальбота. С помощью моделирования также показано, что ГС-линза, являющаяся "куском" ГС-волновода, фокусирует плоскую ТЕ-волну в субволновое фокусное пятно шириной по полуспаду интенсивности 0,131 от длины волны.
Бесплатно
Моды шепчущей галереи в диэлектрическом цилиндре с круглым сечением
Статья научная
При дифракции плоской монохроматической ТЕ-волны на идеальном однородном диэлектрическом цилиндре с резонансным радиусом в несколько длин волн вблизи поверхности на выходе из цилиндра на оптической оси формируются два последовательных максимума интенсивности (два фокуса). Первый субволновый фокус формируется одним из лепестков моды шепчущей галереи, его интенсивность в 50 раз больше интенсивности падающего света, а ширина по полуспаду интенсивности может быть равна 0,155 длины волны. Второй фокус в 2 раза меньше по интенсивности и удлинён, его называют фотонной струей, он формируется на расстоянии около длины волны от поверхности цилиндра и имеет ширину 0,44, а длину - две длины волны. Численно исследованы возможности фокусировки света двухслойным цилиндром, и рассмотрено влияние поглощения материалов на результат фокусировки.
Бесплатно
Может ли радиальное число вихревых мод управлять орбитальным угловым моментом?
Статья научная
В общем случае стандартный пучок Лагерра-Гаусса, состояние которого задаётся двумя квантовыми числами - радиальным числом n и азимутальным числом l (или топологическим зарядом вихря, переносимым пучком Лагерра-Гаусса), является неустойчивым относительно слабых возмущений. Это нетрудно заметить, если разложить комплексную амплитуду пучка Лагерра-Гаусса по модам Эрмита-Гаусса, общее число которых равно N = 2 n + l +1. Изменяя амплитуды и фазы коэффициентов разложения с помощью возмущающих параметров, можно существенно трансформировать первоначальную радиально симметричную структуру пучка Лагерра-Гаусса. Мы назвали композицию мод Эрмита-Гаусса, зависящую от двух возмущающих параметров (амплитудный параметр e, фазовый параметр q), структурированным пучком Лагерра-Гаусса. При изменении этих параметров орбитальный угловой момент структурированного пучка Лагерра-Гаусса меняется в интервале (-l, l), а полный топологический заряд - в интервале (-2 n - l, 2 n + l). При n = 0 изменение орбитального углового момента в интервале (-l, l) является плавным, а с ростом n поведение орбитального углового момента становится всё более осциллирующим. Число минимумов (максимумов) осцилляций равно радиальному числу в интервале q = (0, p) и q = (p, 2p), а их амплитуда нелинейно зависит от разности l - n , за исключением точки q = p, где сЛГ-пучок становится вырожденным. Если же l = 0, то орбитальный угловой момент = 0 и в структуре структурированного пучка Лагерра-Гаусса возникает либо симметричный массив вихрей с противоположными знаками топологического заряда, либо узор краевых дислокаций, число которых равно радиальному числу n . Также мы обнаружили, что, несмотря на быстрые осцилляции орбитального углового момента, абсолютное значение полного топологического заряда структурированного пучка не изменяется при вариации как амплитудного e, так и фазового параметра q, но зависит исключительно от исходного состояния ( n , l) пучка Лагерра-Гаусса и равно модулю (2 n + l).
Бесплатно
Наблюдение оптического эффекта "углового трактора" в пучке Бесселя
Статья научная
В работе изучается оптический эффект «углового трактора», заключающийся в том, что в вихревом лазерном пучке с радиальной симметрией с положительным/отрицательным топологическим зарядом и левой/правой круговой поляризацией на разных радиусах от центра пучка в поперечном сечении поток световой энергии вращается в разных направлениях (по часовой или против часовой стрелки). Показано, что этот эффект имеет место как для параксиальных вихревых пучков, так и в фокусе апланатической системы при фокусировке непараксиального оптического вихря. Экспериментально продемонстрировано движение диэлектрических микрочастиц в пучке Бесселя 3-го порядка с круговой поляризацией в разные стороны (по часовой и против часовой стрелки).
Бесплатно
Наноразмерные эффекты в полевой эмиссии электронов ультратонкими металлическими плёнками
Статья научная
В рамках метода гамильтониана переноса Бардина рассматривается полевая эмиссия электронов наноразмерными структурами. Предложена модель, в которой учитывается конечный размер эмиттера в направлении эмиссии электронов. Эмиссия рассматривается как туннельный переход между двумя многочастичными электронными квантовыми состояниями. Получены формулы и предложен алгоритм вычислений. В упрощённой модели выполнены численные оценки на величину наноразмерных эффектов в процессах полевой эмиссии электронов ультратонкими металлическими плёнками.
Бесплатно
Нанофокусировка с помощью заострённых структур
Статья научная
В работе показана возможность нанофокусировки в ближнем поле не только с помощью металлических, но также и диэлектрических структур с резкими краями. Исходя из векторных интегралов Рэлея-Зоммерфельда, показан эффект экстраординарного усиления продольной компоненты электромагнитного поля вблизи разрывов функции падающего поля, связанных с резкими скачками в рельефе оптического элемента. Методом конечных элементов выполнено моделирование дифракции электромагнитного излучения на остриях металлических структур, а также диэлектрических структур, имеющих высокий показатель преломления. Показано, что получаемый размер фокусного пятна по полуспаду интенсивности FWHM (full width at a half maximum) почти прямо пропорционально зависит от радиуса кривизны острия структуры. Для острой фокусировки предложена оптическая схема, состоящая из накопителя, собирающего и направляющего излучение на нанофокусатор. В качестве накопителя предлагается использовать рефракционный аксикон, собирающий излучение на свою вершину, где располагается нанофокусатор - алюминиевая или кремниевая наносфера. При этом необходимо освещать аксикон пучком с вихревой фазовой зависимостью первого порядка или радиально-поляризованным пучком. Предложенная схема способна обеспечить локализацию излучения в световом пятне размером FWHM = l/400.
Бесплатно
Нахождение констант распространения методом Крылова при расчете мод фотонных волноводов
Статья научная
В работе численно исследована эффективность метода Крылова решения нелинейной задачи на собственные значения при расчете констант распространения собственных мод фотонного волновода. Матрица этой нелинейной задачи на собственные значения имеет размерность N Ч N, где N пропорционально числу локальных синусоидальных мод, с помощью которых аппроксимируются собственные моды волновода.
Бесплатно
Некогерентный голографический коррелятор на основе микрозеркального модулятора
Статья научная
Рассмотрена возможность применения в оптическом корреляторе микрозеркального модулятора в качестве устройства вывода голографических фильтров при квазимонохроматическом пространственно-некогерентном входном излучении. Представлена экспериментальная установка оптического коррелятора, собранная по схеме с одним объективом. Проведены эксперименты по распознаванию тестовых объектов при динамическом выводе синтезированных голографических фильтров на модулятор. Полученные результаты позволяют сделать вывод об успешном распознавании объектов в некогерентном корреляторе при использовании микрозеркального модулятора.
Бесплатно
Статья научная
Представлены некоторые результаты, касающиеся механизма, особенностей и практических возможностей предложенного авторами прямого метода формирования изображения в некоторых позитивных резистах непосредственно в процессе экспонирования электронным лучом в вакууме. На примере резиста из полиметилметакрилата показано, в частности, что этот метод удобен для получения микро- и наноструктур со скруглённым профилем сечения, а также для получения пространственных 3D-структур с хорошей точностью вертикальных размеров изображения и низкой шероховатостью поверхности. Представленные данные в целом, по мнения авторов, указывают на потенциальные прикладные возможности предлагаемого метода, в частности, для изготовления дифракционных оптических элементов.
Бесплатно
Нелинейное уравнение Шредингера в трех пространственных измерениях
Статья научная
Найдены в аналитической форме гладкие решения нелинейного уравнения Шредингера в виде уединенных волн для случая трех пространственных измерений. Рассмотрено явление оптической самофокусировки. Ключевые слова: нелинейное уравнение Шредингера, линейное однородное уравнение первого порядка, полный интеграл, уравнения характеристик, уединенные волны, оптическая самофокусировка.
Бесплатно
Непараксиальная векторная дифракция гауссового пучка на спиральной фазовой пластинке
Статья научная
Получены аналитические выражения, описывающие непараксиальную векторную дифракцию гауссового пучка на спиральной фазовой пластинке (СФП). Численно показано, что полученная комплексная амплитуда может заметно (в нашем случае 14%) отличаться от амплитуды, полученной в параксиальном приближении. Численно также показано, что продольная составляющая комплексной амплитуды может давать вклад величиной в несколько процентов от поперечной.
Бесплатно
Статья научная
Исследована непараксиальная дифракция гауссовых оптических вихрей с начальной радиальной поляризацией. Получены явные аналитические выражения для радиальной, азимутальной и продольной компонент вектора напряженности электрического поля. Моделирование показало, что непараксиальные формулы намного точнее при удалении от оптической оси, чем параксиальные. Дифракционное фокусное пятно по полуспаду интенсивности при фокусировке гауссового вихревого поля с топологическим единичным зарядом и радиальной начальной поляризацией получается меньше, чем значение, предсказываемое скалярной теорией.
Бесплатно
Непараксиальное распространение гауссовых пучков под углом к оси анизотропного кристалла
Статья научная
В работе аналитически и численно исследуется распространение лазерных пучков в анизотропных кристаллах как вдоль, так и под углом к оси кристалла. Для одноосного кристалла с использованием метода стационарной фазы получены аналитические выражения, показывающие зависимость астигматического искажения от поляризации падающего пучка. Также показано, что при распространении лазерного пучка под углом к оси кристалла проявляется эффект двулучепреломления, который может исчезать при соответствии плоскости наклона пучка и плоскости линейной поляризации. Для гауссовых пучков получено выражение, связывающее параметры пучка и кристалла, при котором обеспечивается визуальное разделение обыкновенного и необыкновенного лучей.
Бесплатно
Непараксиальные вихревые лазерные пучки Ханкеля первого и второго типов
Статья научная
Рассмотрены новые решения непараксиального уравнения Гельмгольца в цилиндрических координатах, которые интерпретированы как непараксиальные скалярные вихревые пучки Ханкеля 1-го, 2-го и 3-го типов. Пучок Ханкеля 1-го типа низшего порядка (нулевого) совпадает со сферической волной. Они получаются друг из друга с помощью дифференцирования. Расходимость пучка Ханкеля второго типа меньше расходимости пучка первого типа.
Бесплатно
Непараксиальные гипергеометрические моды
Статья научная
Получено явное аналитическое выражение, описывающее точное решение уравнения Гельмгольца в цилиндрических координатах в виде произведения двух функций Куммера. Это решение представлено в виде суммы двух слагаемых, которые описывают непараксиальные гипергеометрические световые пучки, распространяющиеся вдоль оптической оси в прямом и обратном направлениях. При удалении от начальной плоскости на расстояние много большее длины волны полученное выражение для непараксиального гипергеометрического пучка совпадает с выражением для параксиальной гипергеометрической моды.
Бесплатно
Нестационарное четырёхволновое взаимодействие в прозрачной двухкомпонентной среде
Статья научная
Проведён анализ динамики пространственной структуры волны с обращённым волновым фронтом при четырёхволновом взаимодействии в прозрачной двухкомпонентной среде в схемах со встречными и попутными волнами накачки. Показано наличие в пространственном спектре объектной волны провала, положение которого определяется направлением распространения второй волны накачки. Угловой поворот и частотный сдвиг волн накачки приводят к уменьшению эффективности преобразования высоких пространственных частот. Ширина полосы пространственных частот, вырезанных четырёхволновым преобразователем излучения, с течением времени монотонно уменьшается, а ширина полосы наиболее эффективно преобразуемых пространственных частот увеличивается.
Бесплатно
Низкокогерентная автокорреляционная интерферометрия рассеивающих и слоистых сред
Статья научная
Аннотация Рассматриваются физические основы нового метода в низкокогерентной интерферометрии слоистых и рассеивающих сред. В этом методе оптическое поле с малой длиной временной когерентности, отраженное объемным слоистым или рассеивающим объектом, направляется в сканирующий интерферометр Майкельсона продольного сдвига, с помощью которого реализуется автокорреляционный анализ объектного низкокогерентного поля. Объект исследования располагается вне интерферометра и не используется опорный пучок света. Метод позволяет определить оптические толщины слоев объемной структуры прозрачных и рассеивающих сред. Представлена приближенная теория метода для объемных объектов с непрерывно изменяющимися по глубине отражающими свойствами и для слоистых объектов с резкими границами раздела слоев. Обсуждаются схемные решения и результаты натурного эксперимента для слоистых прозрачных и рассеивающих объектов.
Бесплатно
