Дифракционная оптика, оптические технологии. Рубрика в журнале - Компьютерная оптика
Оптическая система измерителя метеорологической оптической дальности
Статья научная
Рассмотрены принципы построения измерителя метеорологической оптической дальности видимости, получено новое соотношение для его определения. Приведена оптическая схема измерителя метеорологической оптической видимости и приведены характеристики нового измерителя.
Бесплатно
Статья научная
Разработана и экспериментально испытана новая оптическая система для преобразования поляризации модовых пучков из линейной (наиболее характерной для лазерного излучения) в аксиально-симметричные (радиальную или азимутальную, как более эффективные в различных приложениях), а также с разнообразной неоднородной структурой. Схема основана на когерентном сложении модовых пучков с использованием фазовых дифракционных решеток, позволяющих менять межмодовый фазовый сдвиг без применения дополнительных элементов. Простота и универсальность схемы достигается за счет применения дифракционных оптических элементов для генерации заданных модовых распределений необходимой ориентации в пространстве, а также получения одновременно нескольких разных поперечных мод в разных лучах для их дальнейшей комбинации.
Бесплатно
Оптические вихревые пучки с бесконечным числом винтовых дислокаций
Статья научная
При передаче данных с помощью вихревых лазерных пучков носителем информации может являться топологический заряд, теоретическое значение которого не ограничено. Однако, топологический заряд одного отдельного вихря (винтовой дислокации) ограничен возможностями его формирования. Поэтому в данной работе изучены три примера мультивихревых Гауссовых световых полей (два пучка структурно устойчивые и один пучок астигматический), у которых неограниченное (счётное) множество винтовых дислокаций одного знака. Как следствие, топологический заряд этих полей бесконечен. Первый пучок имеет амплитуду в виде Гауссовой функции, умноженной на косинус с вихревым аргументом в квадрате. У такого пучка центры сингулярности фазы лежат на обеих декартовых осях в плоскости перетяжки и «уплотняются» с увеличением расстояния от оптической оси. Распределение интенсивности у такого пучка имеет вид «четырёхконечной звезды». Все оптические вихри у такого пучка имеют одинаковый топологический заряд +1. Второй пучок, описывается также Гауссовой функцией, умноженной на косинус в произвольной степени, и также от вихревого аргумента. Этот пучок имеет счётное число оптических вихрей, которые эквидистантно расположены на одной декартовой оси в плоскости перетяжки и топологический заряд каждого из них равен степени, в которую возводится косинус. Интенсивность такого пучка имеет вид двух световых пятен, центры которых находятся на прямой, перпендикулярной прямой, на которой лежат центры оптических вихрей. И третий пучок во многом похож на первый, но формируется с помощью наклонной цилиндрической линзы из косинусной одномерной решетки с квадратичным аргументом.
Бесплатно
Оптические пучки с бесконечным числом вихрей
Статья научная
При передаче данных с помощью вихревых лазерных пучков носителем информации может являться топологический заряд, теоретическое значение которого не ограничено. Однако, топологический заряд одного отдельного вихря ограничен возможностями его формирования. Поэтому в данной работе проанализированы пучки с неограниченным (счётным) множеством оптических вихрей. Суммарный топологический заряд таких пучков бесконечен. Центры сингулярности фазы (изолированные нули интенсивности) таких пучков, как правило, имеют единичный топологический заряд и расположены эквидистантно (или не эквидистантно) на прямой линии в поперечном сечении пучка. Такие пучки структурно устойчивые и при распространении в пространстве изменяются только масштабно и вращаются. Орбитальный угловой момент таких мультивихревых пучков конечный, так как только конечное число оптических вихрей попадает в область Гауссова пучка с заметной интенсивностью. Остальные центры сингулярности фазы находятся на периферии (и на бесконечности), где интенсивность почти нулевая.
Бесплатно
Оптические схемы и статистические характеристики сигнала спекл-интерферометров перемещений
Статья научная
Рассмотрены схемные решения для спекл-интерферометров перемещений, в которых максимальные значения амплитуды выходного фотоэлектрического сигнала достигаются согласованием интерферирующих волновых полей. Проанализированы требования для определения взаимного расположения оптических элементов спекл-интерферометра, опорной и контролируемой поверхностей для расчета оптических схем интерферометров с учетом параметров лазерного гауссова пучка. Получены соотношения для оценки ожидаемых значений (среднего, наиболее вероятного и дисперсии) величины выходного фотоэлектрического сигнала спекл-интерферометров с согласованными интерферирующими полями при гладкой и спекл-модулированной опорных волнах.
Бесплатно
Оптические фазовые сингулярности и сверхсветовое движение в неограниченном пространстве
Статья научная
В этой работе мы обобщили замечательный результат, полученный Соскиным с соавторами в Physical Review A 56, 4064 (1997). Мы показали, что у осевой суперпозиции двух пучков Лагерра-Гаусса с номерами (0, n ) и (0, m ) и разными радиусами перетяжек топологический заряд до плоскости, на которой радиусы перетяжки становятся одинаковыми, равен m , если радиус перетяжки пучка с номером (0, m ) больше, а после этой плоскости топологический заряд всей суперпозиции равен n . Так получается потому, что у суперпозиции в начальной плоскости имеется оптический вихрь на оптической оси с топологическим зарядом m и еще на окружностях разных радиусов имеются ( n -m ) вихрей с топологическими зарядами +1 и столько же вихрей с топологическими зарядами -1. При приближении пучка к указанной плоскости вихри с топологическим зарядом -1 со скоростью больше скорости света «уходят» на бесконечность, и топологический заряд пучка становится равен n . Если, наоборот, радиус перетяжки пучка с номером (0, m ) меньше, то топологический заряд пучка от начальной плоскости до плоскости, на которой радиусы перетяжки становятся одинаковыми, равен n, а после этой плоскости топологический заряд суперпозиции равен m . Так получается потому, что после указанной плоскости из бесконечности со скоростью больше скорости света «приходят» n-m вихрей с топологическим зарядом -1.
Бесплатно
Оптические, ИК- и ТГЦ-экраны на основе слоистых структур металл-диэлектрик-полупроводник
Статья научная
Рассмотрены многослойные покрытия из наноразмерных слоёв металл-диэлектрик-полупроводник, расположенных на прозрачной подложке, описываемые на основе модели Друде-Лоренца и представляющие собой многополосные фильтры - экраны для различных диапазонов. Исследуются структуры с несколькими слоями и квазипериодические структуры. Предложен метод приближённого синтеза по полосам заграждения для структур типа два слоя в периоде и три слоя в периоде. Для трёх слоёв различие в плазменных частотах позволяет расширить полосу. Показано, что полупроводниковые слои из узкозонных материалов типа InSb перспективны для структур ТГц-диапазона с возможностью подстройки диапазонов путём легирования.
Бесплатно
Оптический дифференциатор на основе трехслойной металлодиэлектрической структуры
Статья научная
Рассмотрены оптические свойства резонансной структуры «металл-диэлектрик-металл», состоящей из верхнего металлического слоя, диэлектрического слоя и металлической подложки. С использованием модели многолучевой интерференции доказано, что коэффициент отражения указанной структуры может строго обращаться в нуль. Наличие нуля отражения позволяет использовать «металл-диэлектрик-металл»-структуру в качестве оптического дифференциатора. Приведенные результаты численного моделирования демонстрируют возможность оптического вычисления производной по пространственной координате и во времени. Полученные результаты могут найти применение при создании систем аналоговых оптических вычислений и оптической обработки информации.
Бесплатно
Оптический захват диэлектрического цилиндра вблизи фокуса разных световых пучков
Статья научная
Проведено численное сравнительное исследование возможности оптического захвата диэлектрического микроцилиндра с круглым или эллиптическим сечением, диаметр которого сравним с длиной волны света, при помещении его вблизи перетяжки непараксиального Гауссова пучка или в фокальную область «остро» сфокусированного Гауссова пучка и плоской волны (отношение диаметра линзы к фокусному расстоянию варьировалось от 0,85 до 1,27).
Бесплатно
Оптический захват и перемещение микрочастиц с помощью асимметричных пучков Бесселя-Гаусса
Статья научная
Исследуется оптический захват, вращение и перемещение полистироловых микрошариков диаметром 5 мкм в лазерных асимметричных пучках Бесселя-Гаусса в виде полумесяца, которые обладают орбитальным угловым моментом. Эти пучки были сформированы с помощью жидкокристаллического микродисплея и сфокусированы микрообъективом с числовой апертурой 0,85. Экспериментально показано, что при постоянном значении топологического заряда пучка с ростом степени асимметрии пучка почти линейно растёт скорость движения микрочастиц. Это подтверждает линейную зависимость орбитального углового момента лазерного пучка от степени его асимметрии. Пучки в виде полумесяца можно использовать для уменьшения теплового воздействия при оптическом манипулировании биологическими объектами.
Бесплатно
Оптический захват микрочастиц в специальных ловушках
Статья научная
Показано, что с помощью полых кольцевых световых пучков (световых «бутылок») можно захватывать прозрачные микрообъекты сферической формы, согласованные по радиусу с радиусом пучка. Описана серия экспериментов по захвату прозрачных микрообъектов в массивах световых «бутылок». Введён критерий сравнения для эффективности оптического захвата. Представлены результаты эксперимента по захвату непрозрачных сферических микрочастиц в двойной световой «бутылке».
Бесплатно
Оптический модулятор на основе связанных фотонно-кристаллических резонаторов
Статья научная
В работе предложен и численно исследован модулятор оптического сигнала на основе двух связанных фотонно-кристаллических резонаторов. Исследована зависимость спектрального диапазона переключения от уровня энергии переключения. Рассмотрены возможности использования оптической или электрической накачки. Продемонстрирована высокая устойчивость предложенного устройства к погрешностям изготовления связанных резонаторов. Показано, что предложенная модель модулятора позволяет реализовать модуляцию в области малой интенсивности резонансной моды. Рассчитан компактный оптический модулятор на основе фотонно-кристаллического волновода.
Бесплатно
Оптический нанорезонатор в пересечении гребенчатых фотоннокристаллических волноводов
Статья научная
Предложена и численно исследована новая структура оптических резонаторов в пересечении гребенчатых фотоннокристаллических волноводов. Исследованы свойства симметрии возбуждаемых резонансных мод ТЕ-поляризации. Установлено, что резонансная мода обладает одной осью симметрии в цилиндрическом резонаторе и двумя осями симметрии в кольцевом резонаторе. Показано, что резонансная мода с двумя осями симметрии позволяет реализовать эффективный оптический резонатор в пересечении гребенчатых фотоннокристаллических волноводов. Исследованы способы оптимизации предложенных резонаторов. Во-первых, рассмотрена оптимизация с помощью введения дополнительной щели в область резонатора. Во-вторых, исследованы возможности нелинейных материалов с различным индексом рефракции. Рассчитанные резонаторы имеют добротность около 104 и малый модовый объём.
Бесплатно
Оптический планарный волновод на основе слоистого магнитоактивного метаматериала
Статья научная
Рассмотрены направляющие свойства оптического волновода на основе слоистого метаматериала, образованного слоями намагниченного до насыщения железо-иттриевого граната и алюмо-иттриевого граната. С помощью приближения эффективной среды и решения граничной задачи (электромагнитного метода), а также используя матричный метод 4×4, получены дисперсионные уравнения для волноводных TE- и TM-мод в структуре. Найдены дисперсионные спектры зависимости константы распространения от циклической частоты для разных типов структур, а также коэффициенты локализации ортогональных мод в направляющем слое, и проведен их сравнительный анализ. Показаны преимущества приближенного электромагнитного метода по сравнению с точным матричным методом 4×4. Результаты работы могут найти применение при создании новых интегрально-оптических устройств обработки оптических сигналов на основе слоистого метаматериала.
Бесплатно
Оптический сенсор поляризации на основе металинзы
Статья научная
Рассмотрен оптический микросенсор состояния поляризации лазерного света, основанный на металинзе. В отличие от известных датчиков поляризации, основанных на метаповерхностях, которые разный тип поляризации отклоняют под разными углами к оптической оси, рассмотренный датчик поляризации формирует разные картины в фокусе металинзы для разных состояний поляризации: левая круговая поляризация в фокусе формирует световое кольцо, правая круговая поляризация - круглое фокусное пятно, а линейная поляризация - эллиптическое пятно с двумя боковыми лепестками. Причем угол наклона линейной поляризации соответствует углу наклона эллиптического фокусного пятна. Моделирование согласуется с теоретическими предсказаниями. Металинза диаметром в несколько десятков микрон спроектирована и создана в тонкой пленке аморфного кремния толщиной 120 нм с низким аспектным отношением, высокой числовой апертурой и коротким фокусным расстоянием, равным длине волны 633 нм.
Бесплатно
Оптический эффект холла высокого порядка в остром фокусе лазерного излучения
Статья научная
В работе методом Ричардса-Вольфа, описывающим поведение электромагнитного излучения в остром фокусе, показано, что в плоскости фокуса имеет место спиновый и орбитальный эффекты Холла высокого порядка. Показано, что при фокусировке оптического вихря с единичным топологическим зарядом и линейной поляризацией в плоскости фокуса формируются 4 локальных субволновых области, в которых направление продольной проекции спинового углового момента взаимно противоположное. То есть фотоны, попадающие в соседние области в фокусе, имеют разный спин - это спиновый эффект Холла 2-го порядка. Также показано, что при острой фокусировке суперпозиции цилиндрического векторного пучка m -го порядка и нулевого порядка в плоскости острого фокуса формируются 2 m субволновых областей, в которых направление продольной проекции орбитального углового момента взаимно противоположное. То есть фотоны, попадающие в соседние области в фокусе, имеют осевую проекцию орбитального углового момента разного знака - это орбитальный эффект Холла m -го порядка.
Бесплатно
Оптическое выделение контуров пропускающими структурами металл-диэлектрик-металл
Статья научная
Экспериментально исследуется возможность реализации аналогового оптического выделения контуров на изображениях оптических объектов на основе пропускающих слоистых резонансных структур металл-диэлектрик-металл. Исследуемая структура на стеклянной подложке, состоящая из тонких слоёв алюминия, разделённых слоем кварца, характеризуется появлением резонансов в пространственном и частотном спектрах пропускания. В работе исследована возможность применения этих структур для оптического выделения контуров на изображениях объекта в проходящем свете на основе подавления освещающего пучка и усиления излучения, рассеянного на краях объекта. Анализ угловых спектров пропускания структур металл-диэлектрик-металл для расходящихся освещающих пучков показал зависимость направленности преимущественного выделения контуров от наклона структуры. Экспериментально продемонстрированы эффект выделения контуров на изображениях оптических элементов, а также зависимость его направленности от преимущественного направления градиента неоднородностей объекта в случае наклонного расположения структуры. Полученные результаты могут найти применение в системах оптической обработки информации и оптической фильтрации.
Бесплатно
Статья научная
На основе пространственно-временной численной модели были исследованы условия проявления нестационарных эффектов, возникающих при распространении интенсивного лазерного сигнала, модулированного по частоте, в условиях резонансного самовоздействия. Были обнаружены эффекты генерации субгармоники и деления частоты в условиях, когда частота распространяющегося излучения близка к частоте атомного перехода и мощность лазерного излучения достаточно высока.
Бесплатно
Статья научная
В данной работе исследуется применение многоканального датчика волнового фронта, согласованного с фазовыми распределениями в виде функций Цернике, для определения типа и величины аберрации в исследуемом волновом фронте. Подход основан на поэтапной компенсации аберраций волнового фронта на основе динамически перестраиваемого пространственного модулятора света. В качестве критериев успешного детектирования рассмотрены не только величина корреляционного пика, но и максимальная интенсивность, компактность и ориентация распределения в каждом дифракционном порядке. На основе численного моделирования показана работоспособность предложенного подхода для детектирования как слабых, так и сильных (до длины волны) аберраций волнового фронта.
Бесплатно
Статья научная
Исследуется оптическая реализация операции дифференцирования второго порядка с помощью слоистой металлодиэлектрической структуры в геометрии наклонного падения. Показано, что преобразование профиля трехмерного светового пучка, происходящее при его отражении от слоистой структуры, может быть описано в рамках теории линейных систем. Получена передаточная функция соответствующей линейной системы, и показано, что если слоистая структура обладает нулем отражения второго порядка по пространственной частоте для одной из поляризаций, то реализуемое ей преобразование соответствует взвешенной сумме вторых производных по пространственным координатам от профиля падающего пучка. С использованием представленного теоретического описания рассчитаны слоистые металлодиэлектрические структуры для вычисления второй производной по одной из пространственных координат и для вычисления оператора Лапласа от профиля трехмерного линейно-поляризованного светового пучка. Представленные результаты численного моделирования демонстрируют вычисление указанных операторов с высоким качеством.
Бесплатно
