Дифракционная оптика, оптические технологии. Рубрика в журнале - Компьютерная оптика
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
Теоретически описано оптическое вычисление оператора дивергенции для двумерного векторного поля, состоящего из поперечных компонент электрического поля светового пучка, падающего на слоистую структуру. В качестве примера слоистой структуры, вычисляющей данный оператор в отражении, предложена четырехслойная металлодиэлектрическая структура на металлической подложке. Представленные результаты численного моделирования рассчитанной слоистой структуры показывают вычисление оператора дивергенции с высоким качеством и демонстрируют возможность применения структуры для анализа поляризационных сингулярностей векторных пучков.
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
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
Оптическое измерение характеристик тонких пленок с помощью спиральных зонных пластинок
Статья научная
В работе предложен способ измерения физических характеристик плоских тонких образцов (тонких пленок) – толщины, показателя преломления и наклона. Измерения осуществляются с помощью вихревой спиральной зонной пластинки, формирующей три максимума интенсивности, которые вращаются при удалении от плоскости зонной пластинки. Погрешность измерения наклона образца составляет доли градуса, погрешность измерения его толщины – менее 5 нм. Моделирование показало, что после металинзы формируются три максимума интенсивности, которые вращаются в пространстве с угловой скоростью 136°/мкм, что почти вдвое больше, чем в аналогичных работах.
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
