Дифракционная оптика, оптические технологии. Рубрика в журнале - Компьютерная оптика
Оптическое дифференцирование на основе эффекта Брюстера
Статья научная
Теоретически и экспериментально изучаются подходы к реализации аналоговых оптических преобразований для выделения контуров изображений с использованием планарных границ разделов сред диэлектрик-диэлектрик. В работе демонстрируется возможность и исследуется эффективность выполнения операций пространственного дифференцирования и выделения контуров на изображениях амплитудных и фазовых оптических элементов на основе эффекта Брюстера для поляризованного света.
Бесплатно
Орбитальный поток энергии и поток спина в остром фокусе
Статья научная
В работе показано, что обратный поток энергии (отрицательная проекция на оптическую ось вектора Пойнтинга) в остром фокусе оптического вихря с топологическим зарядом 2 и левой круговой поляризацией возникает потому, что осевой поток спина имеет отрицательную проекцию на оптическую ось и больше по величине, чем положительная проекция на оптическую ось орбитального потока энергии (канонического потока энергии). Также с помощью формул Ричардса-Вольфа показано, что в области обратного потока энергии на оптической оси имеет место правая круговая поляризация света, хотя фокусируется свет с левой круговой поляризацией.
Бесплатно
Орбитальный угловой момент астигматического гауссова лазерного пучка
Статья научная
Мы показали, что эллиптический Гауссов пучок, сфокусированный цилиндрической линзой, является линейной комбинацией счётного числа только чётных угловых гармоник как с положительным, так и с отрицательным топологическим зарядом. Получена точная формула для орбитального углового момента астигматического Гауссова пучка в виде сходящегося ряда из функций Лежандра второго рода. Показано, что при определённых условиях в этом ряду остаются только слагаемые с положительным или отрицательным топологическим зарядом.
Бесплатно
Орбитальный угловой момент астигматического пучка Эрмита-Гаусса
Статья научная
Получена явная формула для нормированного орбитального углового момента для эллиптического пучка Эрмита-Гаусса (ЭГ) с номером (0, n ), сфокусированного цилиндрической линзой. Этот орбитальный угловой момент может быть по модулю как больше n, так и меньше n. Если цилиндрическая линза фокусирует не эллиптический, а обычный пучок Эрмита-Гаусса, то он также будет обладать орбитальным угловым моментом как большим, так и меньшим по модулю, чем эллиптический пучок Эрмита-Гаусса. При n = 0 этот пучок становится астигматическим Гауссовым пучком, но будет по-прежнему обладать орбитальным угловым моментом. С помощью двух интерферограмм восстановлена фаза астигматического Гауссова пучка, с помощью которой рассчитан нормированный орбитальный угловой момент. Значения орбитального углового момента, рассчитанные по теоретической формуле и с помощью гибридного модельно-экспериментального метода, отличаются всего на 6 %.
Бесплатно
Орбитальный угловой момент и топологический заряд гауссова пучка с несколькими оптическими вихрями
Статья научная
Исследован теоретически и численно Гауссов пучок с несколькими оптическими вихрями с единичным топологическим зарядом одного знака, центры которых расположены равномерно на окружности. Получены простые выражения для его мощности, орбитального углового момента и топологического заряда. Показано, что орбитальный угловой момент, нормированный на мощность, не может превышать количество вихрей в пучке. Этот орбитальный угловой момент убывает с увеличением расстояния от оптической оси до центров вихрей. Топологический заряд, напротив, не зависит от этого расстояния и равен числу вихрей. При прохождении через случайный фазовый экран (диффузор) и распространении в свободном пространстве рассмотренные пучки можно идентифицировать по числу локальных минимумов интенсивности (теневых пятен) и по орбитальному угловому моменту, что подтверждается численным моделированием.
Бесплатно
Статья научная
Получено простое замкнутое выражение для нормированного орбитального углового момента (на единицу мощности) произвольного параксиального светового пучка эллиптической формы, прошедшего через эллиптическую спиральную фазовую пластинку, повёрнутую на произвольный угол вокруг оптической оси. При этом эллиптичности пучка и спиральной фазовой пластинки могут отличаться. Показано, что если эллиптический пучок освещает эллиптическую спиральную фазовую пластинку, то нормированный орбитальный угловой момент выходного пучка максимален (минимален), когда пучок и спиральная фазовая пластинка ориентированы параллельно (ортогонально). Результаты могут быть использованы в оптических ловушках, например, для непрерывного изменения орбитального углового момента, передаваемого частице, путём поворота спиральной фазовой пластинки вокруг оптической оси.
Бесплатно
Статья научная
Получена простая формула для относительного полного орбитального углового момента параксиального светового пучка с произвольной радиально-симметричной комплексной амплитудой, прошедшего через спиральную фазовую пластинку, центр которой смещён с оптической оси. Формула показывает, что орбитальный угловой момент будет равен нулю, если падающий на спиральную фазовую пластинку пучок ограничен диафрагмой, а центр спиральной фазовой пластинки находится за пределами этой диафрагмы. Ещё интересное следствие из полученной формулы: если падающий на спиральную фазовую пластинку пучок ограничен кольцевой диафрагмой, то в какой бы точке внутри затенённого круга кольцевой диафрагмы ни находился центр спиральной фазовой пластинки, полный орбитальный угловой момент пучка будет одинаковый. То есть целесообразно освещать спиральную фазовую пластинку пучками с кольцевым распределением интенсивности, так как при этом неточное совмещение центра спиральной фазовой пластинки и центра кольцевого распределения интенсивности не будет влиять на полный орбитальный угловой момент пучка. Также получено выражение для плотности орбитального углового момента такого пучка в начальной плоскости.
Бесплатно
Орбитальный угловой момент светового поля как суперпозиции мод Эрмита-Гаусса
Статья научная
Рассмотрено поведение орбитального углового момента (ОУМ) для произвольного поля как суперпозиции пучков Эрмита-Гаусса. Получено аналитическое выражение для орбитального углового момента такого поля. Показано, что при эквивалентных исходных условиях величина ОУМ для конечных комбинаций пучков Эрмита-Гаусса (двух) эквивалентна полученному ранее результату. Получены также выражения для более сложных линейных комбинаций пучков Эрмита-Гаусса. Для суперпозиции из трёх мод Эрмита-Гаусса получено, что у такого поля, в отличие от суперпозиции двух мод, модуль ОУМ может превышать значение максимального индекса в суперпозиции при сохранении структурной устойчивости самого светового поля.
Бесплатно
Орбитальный угловой момент структурно-устойчивых лазерных пучков
Статья научная
Для структурно-устойчивых лазерных пучков, амплитуда которых представима в виде конечной суммы функций Эрмита-Гаусса с неопределенными весовыми коэффициентами, получено аналитическое выражение для нормированного орбитального углового момента таких пучков, также через конечные суммы весовых коэффициентов. Показано, что при определенном выборе весовых коэффициентов можно получить максимальный орбитальный угловой момент, который равен максимальному номеру многочлена Эрмита, входящего в сумму. При этом сумма описывает однокольцевой пучок Лагерра-Гаусса с топологическим зарядом, равным максимальному орбитальному угловому моменту и максимальному номеру многочлена Эрмита.
Бесплатно
Орбитальный угловой момент суперпозиции двух обобщённых лазерных пучков Эрмита–Гаусса
Статья научная
Получено выражение для комплексной амплитуды обобщённых параксиальных пучков Эрмита–Гаусса (ЭГ). При определённых параметрах эти пучки переходят в известные моды ЭГ и элегантные пучки ЭГ. Рассчитан орбитальный угловой момент (ОУМ) линейной комбинации двух обобщённых пучков ЭГ с задержкой по фазе на π/2, номера которых состоят из двух соседних целых чисел (в прямой и обратной последовательности). Показано, что модуль ОУМ для суммы таких двух мод ЭГ – целое число, для суммы двух элегантных пучков ЭГ – всегда единица, для суммы двух гибридных пучков ЭГ – дробное число.
Бесплатно
Статья научная
В оптических коммуникациях желательно знать величины, описывающие световое поле, которые сохраняются при распространении в пространстве и обладают сопротивлением к некоторым искажениям. Как правило, оптические вихревые пучки характеризуются орбитальным угловым моментом и / или топологическим зарядом. В данной работе исследуется, что происходит с орбитальным угловым моментом суперпозиции двух или нескольких оптических вихрей (с разным топологическим зарядом), когда она искажается секторной диафрагмой. Обнаружено несколько случаев, когда искажение пучка не нарушает общий орбитальный угловой момент всей суперпозиции. Первый случай - это когда освещающий пучок состоит из двух вихрей одинаковой мощности. Второй случай - когда полуугол секторной апертуры равен целому числу, умноженному на π и делённому на разность топологических зарядов. Для более чем двух освещающих пучков этот угол равен целому числу, умноженному на π и делённому на наибольший общий делитель всех возможных разностей топологических зарядов. Для двух освещающих вихревых пучков с вещественной радиальной составляющей комплексной амплитуды орбитальный угловй момент также сохраняется, если между пучками есть разность фаз ± π / 2. Также показано, что общий орбитальный угловой момент сохраняется при прохождении двух пучков одинаковой мощности через бинарную радиальную решётку.
Бесплатно
Орбитальный угловой момент эллиптического оптического вихря, внедрённого в гауссов пучок
Статья научная
Рассмотрен эллиптический оптический вихрь, внедрённый в Гауссов пучок. Получены явные замкнутые выражения для комплексной амплитуды и нормированного орбитального углового момента такого пучка. Показано, что эллиптический Гауссовый вихрь обладает дробным ОУМ, максимальное значение которого, равное топологическому заряду обычного Гауссова вихря n, достигается при отсутствии эллиптичности у вихря. Большая ось эллипса интенсивности в сечении пучка вращается при распространении и поворачивается на 90 градусов от начальной плоскости до фокальной плоскости сферической линзы. На большой оси эллипса интенсивности находятся n нулей интенсивности эллиптического Гауссова вихря, расстояние между которыми меняется как при распространении пучка, так и при изменении степени эллиптичности. Расстояние между нулями интенсивности максимальное в фокальной плоскости при постоянной степени эллиптичности. При отсутствии эллиптичности все нули «собираются» в один осевой n -вырожденный ноль интенсивности. Экспериментальные результаты согласуются с теорией.
Бесплатно
Статья научная
В статье описан алгоритм программы TurbidMC, реализующей пертурбационный метод Монте-Карло и предназначенной для моделирования временных функций рассеяния точки и функций чувствительности для задач время-разрешенной флуоресцентной молекулярной томографии (FMT). Программа ориентирована на работу с конкретным ранее опубликованным методом FMT ([22] в списке литературы), определяющим специфику расчета функций чувствительности. Согласно этому методу обратная задача изначально решается относительно обобщенной функции распределения параметров флуоресценции, а затем уже выполняется разделение распределений коэффициента поглощения флуорофора и времени жизни флуоресценции. Корректность работы программы проверена сравнением тестовых расчетов флуоресцентных временных функций рассеяния точки с данными эксперимента по сканированию фантома с флуорофором трехканальным зондом в мезоскопическом режиме обратного рассеяния. Также приведен пример восстановления распределений параметров флуоресценции, подтверждающий корректность расчетов функций чувствительности.
Бесплатно
Статья научная
В данной работе методом конечных разностей во временной области исследованы особенности дифракции Гауссовых пучков и мод Лагерра-Гаусса на кремниевых субволновых оптических элементах с переменной высотой рельефа в ближней зоне. В качестве оптических элементов рассматривались дифракционные аксиконы и субволновые кольцевые решетки при изменении высоты рельефа. Было показано, что возможен такой подбор высоты отдельных колец рельефа кольцевых решеток, при котором достижимо уменьшение размеров фокального пятна вплоть до 0,26l, формирование протяженного светового отрезка (до 4,88λ), формирование оптических ловушек.
Бесплатно
Особенности измерения субволнового фокусного пятна ближнепольным микроскопом
Статья научная
В работе численно и экспериментально исследовалось влияние полого металлического пирамидального кантилевера сканирующего ближнепольного оптического микроскопа на результат измерения характеристик субволнового фокусного пятна. На примере фокусировки линейно-поляризованного лазерного гауссова пучка с длиной волны λ=633 нм зонной пластинкой Френеля с фокусным расстоянием 532 нм было показано, что полый кантилевер из алюминия с углом при вершине 70° и отверстием 100 нм регистрирует преимущественно интенсивность поперечных компонент электрического поля. При этом фокусное расстояние равно 0,36λ, меньший диаметр эллиптического фокуса равен (0,40±0,02)λ, глубина фокуса – 0,59λ, а дифракционная эффективность – 12%.
Бесплатно
Особенности магнитооптики дихроичных холестерических жидких кристаллов
Статья научная
В работе теоретически исследованы магнитооптические свойства дихроичного холе-стерического жидкокристаллического слоя при больших значениях магнитооптического параметра. Подробно изучены особенности всех решений дисперсионного уравнения. Исследованы особенности спектров отражения, пропускания, поглощения и влияние диэлектрических границ на них. Рассмотрены особенности локализации света и магнитоиндуцированной прозрачности в дихроичных холестерических жидких кристаллах. Исследование особенностей локализации света показало, что наличие внешнего магнитного поля, как и наличие диэлектрических границ, приводит к появлению осцилляций, которые зависят от интенсивности локализованной в слое энергии, от координаты оси, направленной вдоль оси холестерика. Показано сильное влияние показателя преломления изотропных полупространств, граничащих с дихроичным холестерическим жидкокристаллическим слоем, на оптику рассматриваемого слоя. В частности, магнитно-индуцированная прозрачность и дифракционное пропускание возникают только при определенных интервалах изменения показателя преломления изотропных полупространств.
Бесплатно
Статья научная
Изготовлены оптические волокна со сплошной сердцевиной диаметра несколько микрон и микроструктурированной оболочкой по технологии перетяжки размягчённого стекла марки AR-Glass (Schott). Проведены измерения спектров фемтосекундных импульсов Ti: сапфирового лазера на выходе данных волокон в зависимости от геометрических параметров структуры поперечного сечения волокон. На основе качественного анализа эксперимен-тальных кривых спектрального распределения излучения показано, что нелинейно-оптическая трансформация спектра импульсов наблюдается уже при диаметре сердцевины 6 мкм и происходит генерация дополнительных спектральных составляющих. При уменьшении геометрических параметров структуры поперечного сечения антистоксовая составляющая спектра сдвигается от инфракрасной в видимую область. Показано, что в случае фокусировки входного излучения в один из боковых каналов МС-оболочки, наряду с основной линией генерации источника в спектре, появляется ярко выраженная антистоксовая компонента с центральной длиной волны порядка 612 нм и интенсивностью, соизмеримой с таковой основной линии. На основе анализа модового состава фемтосекундных импульсов излучения показано, что на выходе волокна, наряду с основной модой, наблюдаются и высшие волноводные моды.
Бесплатно
Особенности непараксиального распространения гауссовых и бесселевых мод вдоль оси кристалла
Статья научная
В работе аналитически и численно показано, что непараксиальные модовые лазерные пучки при распространении вдоль оси кристалла испытывают периодическое изменение интенсивности, связанное с интерференцией обыкновенного и необыкновенного лучей. Для пучков Бесселя период осцилляций обратно пропорционален квадрату пространственной частоты лазерного пучка и разности диэлектрических проницаемостей. Для линейно-поляризованного излучения происходит периодическое перераспределение энергии между двумя поперечными компонентами, а для пучка с круговой поляризацией энергия перекачивается из исходного пучка в вихревой пучок второго порядка и обратно. Полученная зависимость позволяет согласовывать параметры падающего пучка с длиной кристалла для полного преобразования в вихревой пучок. Для гауссовых пучков аналогичные периодические изменения носят нелинейный характер. Моды Лагерра–Гаусса с высоким радиальным порядком в непараксиальном режиме демонстрируют поведение, близкое к бесселевым модам на небольших расстояниях. С увеличением расстояния периодичность замедляется, а сам пучок астигматически искажается.
Бесплатно
Особенности обработки спектров окрашенных суспензий в кюветах с толстыми стенками
Статья научная
При измерении оптических свойств жидких светорассеивающих образцов кюветная стенка и толщина образца могут нетривиальным образом влиять на экспериментальные результаты. Предложен способ учёта кюветной стенки в случае тонкого слоя образца и широкой кюветной стенки при расчёте коэффициентов диффузного отражения и пропускания в рамках одномерного уравнения переноса излучения. Проведено сравнение с экспериментальным спектром модельной окрашенной суспензии. Показано, что учёт кюветной стенки позволяет объяснить наблюдаемое экспериментально неполное попадание рассеянного излучения в интегрирующую сферу. Показано хорошее соответствие экспериментального и рассчитанного спектра при предварительном определении фактора анизотропии в области прозрачности красителя.
Бесплатно
Особенности острой фокусировки вихревых пучков Гаусса-Лагерра
Статья научная
Исследуется пространственное распределение интенсивности остросфокусированного пучка Гаусса-Лагерра в зависимости от состояния однородной (линейной и круговой) поляризации и порядка вихревой фазы. Показано, что наибольшее влияние состояние поляризации оказывает на продольную компоненту электрического вектора светового поля. Наибольшее визуальное различие в картине общей интенсивности в зависимости от поляризации наблюдается при использовании вихревой фазы первого порядка. Использование аксикона позволяет усилить фокусировку по сравнению с апланатическим объективом.
Бесплатно
