Дифракционная оптика, оптические технологии. Рубрика в журнале - Компьютерная оптика
Статья научная
Бинарные зонные пластики Френеля являются одними из наиболее часто используемых фокусирующих элементов плоскостных оптических схем в микро- и нанофотонике. При уменьшении диаметра и фокального расстояния зонных пластин до мезоволновых размеров на параметры области фокусировки начинают существенно влиять особенности конструктивного дизайна зонных пластин (материал, толщина, глубина рельефа). Путём численного FEM-моделирования прохождения оптической волны через бинарную фазовую зонную пластну исследована пространственная структура формирующегося в ближнем поле фокуса. Показано, что существует диапазон оптимальной глубины травления канавок пластинки, а также толщин подложки, при которых реализуется наилучшая фокусировка падающей оптической волны в плане максимальной интенсивности поля и минимального размера фокального пятна. Кроме того, предложен концепт суперфокусирующей бинарной фазовой зонной пластики с иммерсионным слоем в форме усечённого конуса из материала зонной пластики, что позволило численно реализовать фокусировку циркулярно поляризованного излучения света в субдифракционное пятно с полушириной порядка l / 2 n ( n - показатель преломления зонной пластики).
Бесплатно
Статья научная
Показана возможность управления вкладом компонент векторного электрического поля в фокальной области с помощью бинарных фазовых структур с целью уменьшения поперечного размера центрального светового пятна фокусирующей системы с высокой числовой апертурой. На основе анализа матрицы поляризационного преобразования высокоапертурной линзы и численного моделирования фокусирующей системы в приближении Дебая показана эффективность использования полноапертурных асимметричных бинарных распределений для формирования субволнового центрального пятна площадью по полуспаду интенсивности 0,08(lambda-в-квадрате) с эффективностью 3,6% для линейной поляризации, 0,084(lambda-в-квадрате) с эффективностью 13% для радиальной поляризации и 0,054(lambda-в-квадрате) с эффективностью 2,4% для азимутальной поляризации.
Бесплатно
Статья научная
Разработан и экспериментально воплощен ABCD матричный формализм для описания структурных преобразований и орбитального углового момента структурированных Лагерр-Гауссовых пучков в астигматической оптической системе, содержащей цилиндрическую и корректирующую сферическую линзу. Показано, что матричный формализм не только хорошо согласуется с методом интегральных астигматических преобразований, но и значительно расширяет область его применения. Выявлено, что корректирующая сферическая линза способна не только разделять вихревую и астигматическую составляющие орбитального углового момента, но и превращать структурно неустойчивый астигматический Лагерр-Гауссов пучок после цилиндрической линзы в структурно устойчивый, при условии сохранения формы быстрых осцилляций и всплесков орбитального углового момента.
Бесплатно
Статья научная
В статье теоретически и экспериментально рассмотрено влияние астигматического элемента (например, цилиндрической линзы) на структурированный пучок Лагерра-Гаусса, когда оси линзы ориентированы под произвольным углом к лабораторным координатным осям (общий астигматизм). Хотя структурно устойчивый Лагерр-Гауссов пучок содержит множество осесимметричных мод, согласованных между собой по фазам и амплитудам, их суперпозиция уже теряет исходную осевую симметрию, но приобретает новые свойства (например, быстрые осцилляции орбитального углового момента ), при этом орбитальный угловой момент пучка не может превышать азимутальное число l исходной ЛГ-моды. Потеря осевой симметрии возникает за счет внесения фазовых и амплитудных возмущений каждой моды структурированного пучка Лагерра-Гаусса, которые разрушают кольцевые дислокации. Поскольку вырожденные кольцевые дислокации образованы оптическими вихрями с противоположными топологическими зарядами, но равными весами, то их разрушение сопровождается появлением пар оптических вихрей в виде топологических диполей (их количество равно радиальному числу n ). В результате расширяется спектр мод структурированного пучка Лагерра-Гаусса до величины ± (2 n +l). Астигматический элемент (цилиндрическая линза) нарушает равенство весов в диполях, что приводит к резкому возрастанию орбитального углового момента всего структурированного пучка Лагерра-Гаусса. Причем величиной орбитального углового момента можно управлять, меняя наклон осей цилиндрической линзы и управляющие параметры структурированного пучка Лагерра-Гаусса. Именно эти процессы подробно рассмотрены в статье как в теоретическом, так и экспериментальном аспектах. В результате мы показали, что при определенной ориентации осей цилиндрической линзы орбитальный угловой момент пучка может превышать суммы орбитального и азимутального числа (ОУМ > n + l). Кроме того, мы обнаружили, что картина интенсивности астигматического структурированного пучка Лагерра-Гаусса может следовать за поворотом осей астигматического элемента (эффект отслеживания структурой пучка оси вращения цилиндрической линзы) при определенных соотношениях между управляющими параметрами структурированного пучка Лагерра-Гаусса и астигматического элемента.
Бесплатно
Статья научная
Приведены результаты оптических экспериментов по формированию мод лазерного излучения из освещающего Гауссова пучка терагерцового лазера на свободных электронах (NovoFEL) с помощью бинарных кремниевых дифракционных оптических элементов (ДОЭ). Исследования проводились на длине волны 141 мкм. Результаты оптических экспериментов находятся в соответствии с результатами компьютерного моделирования.
Бесплатно
Усиление магнитоакустических волн в оптически тонкой плазменной среде с тепловой неустойчивостью
Статья научная
Ранее была рассмотрена возможность перекачки энергии из неустойчивых акустических волн в альфвеновские волны в результате трёхволнового взаимодействия одинаково направленных волн. В данной работе кратко описаны механизмы охлаждения и возможные сценарии нагрева оптически тонкой плазменной среды. В качестве модельной среды были выбраны верхние слои солнечной атмосферы. На основе двух моделей описывающих функцию охлаждения были получены температурные области, в которых возможно усиление акустических волн и рассчитаны инкременты усиления для каждого из возможных сценариев нагрева.
Бесплатно
Усиление обратного эффекта Фарадея в диэлектрических дифракционных решётках с волноводным слоем
Статья научная
Рассмотрено явление усиления интенсивности электромагнитного поля в ближней зоне дифракционных структур с двумерной периодичностью, состоящих из диэлектрической дифракционной решётки и волноводного слоя. Показано, что в случае падения на структуру волны с круговой поляризацией наблюдается усиление обратного эффекта Фарадея. Величина обратного эффекта Фарадея в дифракционной структуре более чем в 40 раз превышает соответствующую величину для однородного слоя. Потенциальные применения рассматриваемых структур заключаются в возможностях локального управления намагниченностью, контроля интенсивности и усиления поля.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрена шарообразная линза. Показатель преломления этой линзы является функцией расстояния от центра шара. Получены условия, при которых такая линза свободна от сферической аберрации третьего порядка, если на линзу падает параллельный пучок лучей.
Бесплатно
Устойчивый метод расшифровки интерферограмм с пошаговым сдвигом
Статья научная
Предложен метод расшифровки интерферограмм, обеспечивающий минимизацию ошибки определения разности фаз интерферирующих фронтов при наличии шумов на интерференционных картинах. Рассмотрен математический аппарат решения трансцендентных уравнений с произвольными пошаговыми сдвигами. Показано необходимое и достаточное условие для решения задачи предложенным методом в зависимости от значений вносимых фазовых сдвигов и их количества. Проведен сравнительный анализ работы предложенного метода и алгоритма расшифровки интерферограмм на основе векторного представления системы трансцендентных уравнений.
Бесплатно
Уточнённая модель дисперсии для кварцевого стекла
Статья научная
Найдены параметры (резонансные длины волн, амплитуды и коэффициенты демпфирования) модели Селлмейера для более точного согласования (среднеквадратическое отклонение 6%) модельных кривых показателей преломления и поглощения с облаком экспериментальных значений дисперсионных кривых кварцевого стекла в диапазоне от 20 нм до 100 мкм. Сравнение результатов моделирования распространения Гауссова (по пространству и по времени) импульса длительностью 3,35 фс и длиной волны 532 нм в планарных волноводах из кварцевого стекла, дисперсия которых описывалась стандартной и уточнённой моделями Селлмейера, показало существенное влияние дисперсии на распространение импульса: в 10 раз большее поглощение и замедление на 0,35 мкм за 7 мкм.
Бесплатно
Статья научная
Проведено моделирование влияния искажающих факторов в виде волновых аберраций на изображение в когерентном и некогерентном случаях. Показано, что дефокусировку можно компенсировать не только с помощью кубического фазового распределения, но и другими типами асимметричных фазовых функций, в том числе с дробной степенью. При этом аподизация изображающей системы такой фазовой функцией обеспечивает более гладкий характер оптической передаточной функции, что может быть полезно при восстановлении закодированного изображения.
Бесплатно
Статья научная
Теоретически и численно показано, что планарная структура, состоящая из двух изотропных диэлектрических слоёв, может быть использована для уменьшения паразитного рассеяния поверхностных плазмон-поляритонов при произвольном угле падения. Средние потери на рассеяние для рассмотренного примера уменьшаются на порядок до 0,015. Фазовая модуляция и преломление поверхностных плазмонов с подавлением рассеяния хорошо описываются аналитической моделью, основанной на формулах Френеля. Предложенный подход может быть использован при создании плазмонных линз, рефлекторов, плазмонных кристаллов и резонаторов плазмонных лазеров.
Бесплатно
Фокусировка векторного поля с С-линиями поляризационной сингулярности
Статья научная
Рассмотрена острая фокусировка начального гибридного векторного светового поля n -го порядка, имеющего n С-линий (линий, на которых поляризация круговая). С помощью комплексного поля Стокса показано, что индекс поляризационной сингулярности такого поля равен n / 2. Показано, что индекс сингулярности начального поля не сохраняется в плоскости фокуса. Получены аналитические выражения для интенсивности и компонент вектора Стокса в плоскости фокуса. Теоретически и численно показано, что при четном порядке поля n = 2 p в фокусе картина интенсивности обладает симметрией и вместо С-линий формируются С-точки, вокруг которых вращаются оси эллипсов поляризации. При n = 4 в фокусе имеются С-точки c индексами сингулярности 1 / 2 и с топологией типа «лимон». Вокруг таких точек поверхность, которую образуют эллипсы поляризации в трехмерном пространстве, имеет топологию листа Мебиуса. При нечетном порядке начального поля n = 2 p + 1 в фокусе картина интенсивности не имеет симметрии и поле становится только векторным (нет эллиптической поляризации) с V-точками, вокруг которых вращаются векторы линейной поляризации.
Бесплатно
Фокусировка вихревого пучка с круговой поляризацией: спиновый, орбитальный и общий угловой момент
Статья научная
На основе формализма Ричардса-Вольфа получены два разных точных выражения для плотности углового момента света в фокусе оптического вихря с топологическим зарядом n и с правой круговой поляризацией. Одно выражение для плотности углового момента получается как векторное произведение радиус-вектора на вектор Пойнтинга и имеет ненулевое значение в фокусе для произвольного целого числа n . Другое выражение для плотности углового момента равно сумме орбитального углового момента и спинового углового момента и в фокусе рассматриваемого светового поля равно нулю при n = -1. Оба эти выражения не равны друг другу в каждой точке пространства, но их трёхмерные интегралы равны. Таким образом, получены точные выражения для плотностей углового момента (УМ), спинового углового момента (СУМ) и орбитального углового момента (ОУМ) в фокусе оптического вихря с правой круговой поляризацией, и показано, что тождество для плотностей УМ = СУМ + ОУМ неверно. Кроме того, показано, что выражения для векторов напряжённости электрического и магнитного полей вблизи острого фокуса, полученные на основе формализма Ричардса-Вольфа, являются точными решениями уравнений Максвелла. Таким образом, теория Ричардса-Вольфа точно описывает поведение света вблизи острого фокуса в свободном пространстве.
Бесплатно
Статья научная
В статье показано, что при дифракции плоской волны с ТМ-поляризацией на диэлектрическом цилиндре с резонансным радиусом размер фокусного пятна больше, чем при дифракции ТЕ-поляризованной волны, и резонансный радиус для мод шепчущей галереи (ШГ) с ТМ-поляризацией немного больше, чем резонансный радиус соответствующей моды ШГ с ТЕ-поляризацией. Также продемонстрировано, что моды ШГ высоких порядков возбуждаются в цилиндрах, радиусы которых примерно обеспечивают достижение экстремумов функциям Бесселя, но увеличение номера моды ШГ не обязательно приводит к уменьшению размеров фокусного пятна.
Бесплатно
Фокусировка линейно-поляризованного оптического вихря и эффект холла
Статья научная
Рассмотрена острая фокусировка оптического вихря с целым топологическим зарядом и с линейной поляризацией. Мы показали, что по отдельности сохраняются при распространении пучка усредненные по сечению пучка продольные компоненты вектора спинового углового момента (он равен нулю) и орбитального углового момента (он равен произведению мощности пучка на величину топологического заряда). Это сохранение приводит к тому, что в фокусе формируется спиновый эффект Холла, когда появляется четное число областей с разным знаком продольной проекции спинового углового момента. Аналогично орбитальный эффект Холла в фокусе состоит в том, что появляется четное число областей с разным направлением вращения поперечного потока энергии (по часовой и против часовой стрелки) разделеных в фокусе. В данном случае таких локальных областей вблизи оптической оси всего четыре для любого топологического заряда. Мы показали, что полный поток энергии, пересекающий фокальную плоскость, меньше полной мощности пучка, так как часть мощности распространяется вдоль фокальной плоскости. Также мы показали, что продольная компонента вектора углового момента не равна сумме спинового углового момента и орбитального углового момента. Более того, в выражении для плотности углового момента нет слагаемого спинового углового момента. Эти величины не зависят друг от друга. Распределение в фокусе продольной проекции углового момента характеризует орбитальный эффект Холла, а распределение продольной проекции спинового углового момента характеризует спиновый эффект Холла в фокусе.
Бесплатно
Фокусировка непрерывного и импульсного лазерного излучения с помощью микросферы
Статья научная
Рассмотрена фокусировка непрерывного и импульсного излучения с помощью полистироловой микросферы (микрошара) диаметром от 0,5 мкм до 5 мкм. Методом FDTD показано, что в обоих случаях при некоторых радиусах сферы возможно преодоление дифракционного предела. Моделирование с помощью программы FullWave показало, что при фокусировке микросферой с радиусом 2,5 мкм непрерывного лазерного излучения (плоская волна с длиной волны λ = 633 нм) наименьший диаметр фокуса, формируемого сферой, FWHM = (0,55 ± 0,08) λ, а при фокусировке импульса длиной 1,25 фс (λ = 633 нм) – FWHM = 0,54λ. Численные результаты, полученные с помощью программы FullWave, согласуются с результатами, полученными с помощью программы MEEP (FWHM = 0,60λ), и находятся в согласии с экспериментальными данными (FWHM = 0,60λ), полученными методом сканирующей ближнепольной оптической микроскопии.
Бесплатно
Фокусировка цилиндрических векторных пучков дробных порядков
Статья научная
С помощью моделирования острой фокусировки векторных пучков с азимутальной поляризацией дробного порядка 0
Бесплатно
Фокусировка цилиндрического векторного пучка второго порядка градиентной линзой Микаэляна
Статья научная
В данной работе моделировалась фокусировка цилиндрического векторного пучка второго порядка градиентной линзой Микаэляна. Показано, что линза формирует вблизи своей выходной поверхности область обратного потока энергии. В случае, если высоту линзы сделать больше расчётной и снабдить углублением на оси, удаётся локализовать область прямого потока энергии внутри материала линзы, а область с преимущественно обратным потоком энергии вынести в свободное пространство.
Бесплатно
Фокусировка цилиндрического векторного пучка и эффект холла
Статья научная
Известно, что в сечении цилиндрического векторного пучка высокого порядка поляризация локально линейная. Причём чем выше порядок пучка, тем большее число полных оборотов совершают векторы локальной линейной поляризации при обходе вокруг оптической оси. Известно также, что цилиндрический векторный пучок с радиально-симметричной амплитудой имеет в начальной плоскости и в плоскости фокуса нулевой спиновый угловой момент и орбитальный угловой момент (так как у всех декартовых составляющих поля производная фазы по полярному углу равна нулю). В работе показано, что вблизи фокальной плоскости цилиндрического векторного пучка (до и после фокуса) формируется чётное число локальных субволновых областей, в которых вектор поляризации вращается, причём в соседних областях он вращается в разные стороны, то есть продольная проекция вектора спинового углового момента в соседних областях имеет разные знаки. При переходе через фокальную плоскость направление вращения вектора поляризации в каждой точке сечения пучка меняется на противоположное. Такое пространственное разделение левого и правого вращения векторов поляризации является проявлением оптического спинового эффекта Холла.
Бесплатно
