Дифракционная оптика, оптические технологии. Рубрика в журнале - Компьютерная оптика
Совместное разностное решение уравнений Даламбера и Максвелла. Одномерный случай
Статья научная
Предложена методика отыскания совместного разностного решения волнового уравнения и системы уравнений Максвелла, позволяющая совместить достоинства и избежать недостатков обоих упомянутых численных методов нанофотоники. В одномерном случае на тестовых примерах продемонстрированы сходимость такого решения, возможность наложения PML-слоёв и задания падающей волны по технологии TF/SF.
Бесплатно
Совместное решение уравнения Клейна–Гордона и системы уравнений Максвелла
Статья научная
Статья посвящена описанию взаимодействия электромагнитного поля с квантово-механической системой, представляющей заряженную бесспиновую частицу, двигающуюся в некотором потенциале, создаваемом другими заряженными частицами. Примером такой системы служит атом, молекула, квантовая точка, находящаяся во внешнем электромагнитном поле. Впервые получена система связанных уравнений, в которую в качестве неизвестных функций входят волновая функция заряженной частицы и компоненты электромагнитных полей. Работа будет полезна для специалистов, занимающихся решением задач взаимодействия электромагнитного поля со структурами пониженной размерности – квантовыми точками, квантовыми ямами. Полученная система уравнений может быть использована для описания взаимодействия структур пониженной размерности, находящихся в нанорезонаторе.
Бесплатно
Статья научная
В данной работе рассмотрено распространение монохроматических световых пучков в среде с малыми неоднородностями показателя преломления, в частности в среде с параболическим профилем показателя преломления. Проведено обоснование метода моделирования распространения светового пучка в параболическом волокне, основанного на его распространении в однородной среде через периодическую последовательность тонких линз. С помощью предельного перехода к бесконечному числу линз, находящихся на бесконечно малых расстояниях друг от друга, получен интегральный оператор распространения в параболической среде в параксиальном приближении, проведен анализ его свойств. Проведено исследование действия параксиального интегрального оператора на моды Гаусса - Лагерра.
Бесплатно
Создание ДОЭ для формирования точечных эталонных изображений в оптических системах
Статья научная
Обоснована возможность формирования изображения в виде пяти расположенных крестообразно точек при помощи дифракционного оптического элемента (ДОЭ), содержащего пять работающих во втором порядке дифракции при наклонном падении света фазовых дифракционных решёток с прямоугольным профилем, занимающих суммарно не более 1% площади ДОЭ. Рассмотрены возможности изготовления ДОЭ с использованием установки плазмохимического травления «Caroline 15 PE». Установлено, что при глубине поверхностного микрорельефа до 1,4 мкм и наклонном падении света достигается дифракционная эффективность ДОЭ до 0,3 – 0,35 во втором порядке дифракции.
Бесплатно
Создание и фокусировка векторного пучка второго порядка с помощью субволнового оптического элемента
Статья научная
В данной статье предложен вид субволновых аксиконов для создания и фокусировки векторных цилиндрических пучков второго порядка. При этом показано, что с помощью предложенных субволновых аксиконов можно создавать фокусные пятна с обратным потоком энергии. С помощью программы Comsol Multiphysics проведено моделирование работы субволновых аксиконов с различным углом закрутки. Показано различие получаемых распределений плотности потока мощности при различных углах закрутки спирали аксикона.
Бесплатно
Сопоставительный анализ линзы Френеля и киноформной линзы
Статья научная
На основе единого подхода в лучевом приближении рассмотрены и сопоставлены фокусирующие свойства линз Френеля и киноформных линз. Особое внимание обращено на энергетическую эффективность, хроматизм и разрешающую способность этих элементов. Показано, что линза Френеля с равноглубокими кольцевыми поясами представляет собой гармоническую киноформную линзу, работающую в высоких дифракционных порядках. Проанализирован механизм формирования картины дифракции в фокальной плоскости линзы Френеля с равноширокими кольцевыми поясами, и показано, что она отличается от соответствующей картины обычной рефракционной линзы падением энергии в главном максимуме и переносом значительной части энергии в побочные максимумы. Статья адресована студентам и аспирантам, а также специалистам в тех областях науки и техники, в которых оптические методы и приборы играют всё более возрастающую роль.
Бесплатно
Сортировка пучков Лагерра-Гаусса по радиальному числу посредством моментов интенсивности
Статья научная
Предложен и воплощён на эксперименте новый метод цифровой сортировки мод Лагерра-Гаусса, возникших в результате возмущения исходного пучка Лагерра-Гаусса или их суммы тонкой круглой диафрагмой с различными радиусами отверстия, по радиальному числу при постоянном топологическом заряде. В основу метода был положен цифровой анализ моментов интенсивности высших порядков. Рассмотрены два типа возмущённых пучков: невырожденные и вырожденные по радиальному числу пучки Лагерра-Гаусса. Полученный цифровой спектр амплитуд позволяет восстановить реальные моды Лагерра-Гаусса и определить меру неопределённости, внесённую возмущением, посредством информационной энтропии. Мы обнаружили, что возмущение сложного пучка приводит к возникновению вырожденного спектра амплитуд, когда одной спектральной линии соответствует множество мод, рождённых исходными пучками Лагерра-Гаусса с различными радиальными числами. Для расшифровки спектра потребовались ключи, в качестве которых использовались спектры амплитуд невырожденных возмущённых пучков. Степень корреляции рассортированных пучков составляет не ниже 0,92.
Бесплатно
Составной световой пучок и микровзрывы для оптической микроманипуляции
Статья научная
Описан метод перемещения относительно крупных микрообъектов путём использования энергии микровзрывов полистироловых микрочастиц в ультрафиолетовом световом пучке с длиной волны 355 нм. Предварительное позиционирование полистироловой микрочастицы осуществлялось лазерным пучком с длиной волны 532 нм, который распространялся в том же направлении, что и ультрафиолетовый пучок. Представлен эксперимент по управляемому перемещению биологического микрообъекта диаметром 30 мкм.
Бесплатно
Статья научная
Рассматриваются методы двухэкспозиционной спекл-фотографии с цифровой записью спекл-структуры дифракционного поля в дальней области дифракции и метод голографической интерферометрии с записью цифровой фурье-голограммы для измерения микросмещений отражающих рассеивающих объектов. Выполнено компьютерное моделирование процессов записи спеклограмм, формирования дифракционных гало с модулирующими интерференционными полосами, отражающими смещение объекта. Показано, что численная нормировка распределения интенсивности в дифракционном гало позволяет увеличить точность измерений. Сравнительный анализ метрологических возможностей рассматриваемых методов показывает более низкий порог чувствительности метода спекл-фотографии по сравнению с методом голографической интерферометрии. Установлено, что нелинейная обработка цифровых спеклограмм, расширяющая дифракционное гало, позволяет существенно снизить порог чувствительности методов. Выполнены натурные эксперименты с использованием цифровых методов спекл-фотографии и голографической интерферометрии с записью дифракционного поля в фурье-плоскости.
Бесплатно
Статья научная
Проанализирована спектральная и угловая зависимость дифракционной эффективности двухслойных однорельефных пилообразных микроструктур, компонуемых из оптических пластмасс и недавно разработанных специальных марок стекла, позволяющих легко тиражировать элементы с дифракционным микрорельефом прецизионным литьем или штамповкой. Продемонстрированы широкие возможности ослабления зависимости дифракционной эффективности таких микроструктур от длины волны и угла падения излучения на элемент.
Бесплатно
Статья научная
Исследовано спектрально-селективное усиление ближнего поля в диэлектрических структурах, происходящее при возбуждении в структуре блоховских поверхностных волн. Результаты работы могут найти применение при создании ближнепольных спектральных фильтров.
Бесплатно
Спектральные линзы для выделения кровеносных сосудов на коже
Статья научная
Представлен лабораторный макет для визуализации кровеносных сосудов на коже человека. Для выделения кровеносных сосудов на коже используется дифракционный оптический элемент нового типа - спектральная линза. Показано, что визуализация кровеносных сосудов наиболее эффективна в виде получения индексного изображения по длинам волн 735 нм и 835 нм по формуле, аналогичной формуле расчета индекса NDVI. В работе также используется прикладное программное обеспечение, которое предназначено для решения задач спектрального анализа.
Бесплатно
Спектральные особенности спонтанного четырёхволнового смешения в нановолокнах с переменным сечением
Статья научная
Исследованы особенности генерации двухфотонных состояний в процессе спонтанного четырёхволнового смешения в нановолокне с переменным сечением. Произведён расчёт функций фазового синхронизма, и рассмотрены интерференционные эффекты, возникающие при генерации бифотонов в суженном оптоволокне. Исследовано влияние окружения нановолокна на спектр бифотонного поля.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрены спектральные свойства поверхностных TM-волн (поляритонов) в направляющей структуре на основе узкозонного полупроводника (n-InSb) и слоистой нанокомпозитной среды (метаматериала) в среднем ИК-диапазоне (5÷20 мкм). Метаматериал обладает слабой гиротропией и содержит намагниченные до насыщения слои висмут-содержащего феррит-граната (BLIG, Lu3-xBixFe5-yGayO12) и галлий-гадолиниевого граната (GGG, Gd3Ga5O12). Решения дисперсионных уравнений исследованы для случаев линейного и нелинейного откликов полупроводника. Для аналитического описания нелинейного отклика структуры использованы «одноосное» (продольное) и «двуосное» описания, получены дисперсионные спектры для константы распространения, полевые и энергетические характеристики поляритонов и проведен их сравнительный анализ. Найдены области появления солитоноподобных волновых полей поверхностных поляритонов в каждом из использованных методов описания системы. Показано, что «одноосная» модель может стать непригодной для построения полей и потоков электромагнитной энергии в структурах на основе сред с кубической нелинейностью.
Бесплатно
Спектроскопия каскадной многорезонаторной квантовой памяти
Статья научная
Изучаются спектральные свойства каскадной многорезонаторной микроволновой квантовой памяти, интегрированной в волноводно-резонаторную систему. На основе моделирования экспериментальных данных восстанавливаются базовые спектроскопические параметры изучаемой схемы квантовой памяти, приводятся оценки её квантовой эффективности и показывается возможность достижения оптимальных условий реализации.
Бесплатно
Спин-орбитальная конверсия в остром фокусе светового пучка с круговой поляризацией
Статья научная
Известно, что при острой фокусировке оптического вихря с круговой поляризацией происходит спин-орбитальное преобразование. При этом обычно говорится, что продольная компонента вектора спинового углового момента трансформируется в продольную компоненту вектора орбитального углового момента. В этой работе показано, что начальный продольный спиновый угловой момент, усредненный по сечению пучка, сохраняется при фокусировке и часть продольной компоненты спинового углового момента трансформируется в поперечную компоненту спинового углового момента. Также и усредненный по сечению пучка начальный продольный поток энергии при фокусировке сохраняется и часть его продольной компоненты переходит в азимутальную компоненту. При этом продольная компонента вектора орбитального углового момента, усредненная по сечению пучка в фокусе, увеличивается как раз на величину, равную усредненному азимутальному орбитальному (каноническому) потоку энергии в фокусе. Азимутальный поток энергии в фокусе формируется из-за того, что свет с правой круговой поляризацией при фокусировке формирует два оптических вихря: поперечный с топологическим зарядом 2 с левой круговой поляризацией и продольный с топологическим зарядом 1.
Бесплатно
Спин-орбитальное взаимодействие в квазимонохроматических сингулярных пучках
Статья научная
Показано, что величина спин-орбитальной связи есть энергетическая эффективность передачи энергии между ортогонально поляризованными компонентами пучка. Энергетическая эффективность изменяется по мере распространения Гауссова пучка через анизотропный кристалл. Для фундаментального Гауссова пучка значение энергетической эффективности не может превышать 50 %, а для элегантных пучков Эрмита-Гаусса и Лагерра-Гаусса более высоких порядков энергетическая эффективность может достигать значения, близкого к 100 %. В то же время для обычных модовых пучков Эрмита-Гаусса и Лагерра-Гаусса высоких порядков энергетическая эффективность может лишь немного превышать 50 %. Показано, что пучки Бесселя-Гаусса нулевого порядка способны достигать энергетической эффективности, близкой к 100 %, при генерации осевого оптического вихря в ортогонально поляризованной компоненте пучка, при прохождении анизотропной среды как в монохроматическом, так и в полихроматическом свете. Показано, что для элегантных полихроматических пучков Лагерра-Гаусса или Эрмита-Гаусса энергетическая эффективность снижена до значения, не превышающего 50 %. Спиновый момент компенсируется изменением орбитального момента всего пучка, происходящим в результате разницы топологического заряда в ортогонально поляризованных компонентах на 2 единицы.
Бесплатно
Спин-орбитальное преобразование светового поля сразу за идеальной сферической линзой
Статья научная
Формулы Ричардса–Вольфа не только адекватно описывают световое поле в остром фокусе, но и позволяют описать световое поле сразу за идеальной сферической линзой, то есть на сходящемся сферическом волновом фронте. Зная все проекции векторов напряженности светового поля сразу за линзой, можно найти продольные компоненты спинового и орбитального угловых моментов. При этом продольная проекция спинового углового момента сразу за линзой либо остается нулем, либо уменьшается. Это означает, что сразу за линзой проявляется эффект спин-орбитального преобразования, когда часть «спина переходит в орбиту». При этом сумма продольных проекций спинового и орбитального угловых моментов сохраняется. Что касается спинового эффекта Холла, то он не формируется сразу за линзой, а появляется по мере фокусировки. То есть сразу за линзой нет эффекта Холла, а в фокусе он максимальный. Это происходит потому, что сразу за линзой формируются два оптических вихря с топологическими зарядами 2 и –2 и со спином разного знака, то есть с левой и правой круговой поляризацией. Но так как амплитуды этих вихрей одинаковые, то суммарный спин равен нулю. По мере фокусировки и в самом фокусе амплитуда у оптических вихрей становится разной, и поэтому появляются области со спином разного знака (эффект Холла). Например, если в начальном поле присутствовал оптический вихрь с топологическим зарядом n и линейной поляризацией, то сразу за линзой появятся два дополнительных оптических вихря с топологическими зарядами n+2 и n–2 и разными спинами. Эти вихри распространяются с разной расходимостью, и поэтому в фокусе будут иметь разную амплитуду, и их спины уже не будут компенсировать друг друга. Также найден общий вид начальных световых полей, у которых в фокусе продольная компонента поля нулевая. В этом случае у вектора спинового углового момента отличной от нуля может быть только продольная компонента. Вектор спинового углового момента, вытянутый в фокусе только вдоль оптической оси, используют в задачах магнетизации.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрена острая фокусировка осевой суперпозиции двух цилиндрических векторных пучков разных порядков. У такой суперпозиции в начальной плоскости индекс поляризационной сингулярности равен полусумме номеров двух цилиндрических векторных пучков в суперпозиции. У такой суперпозиции в начальной плоскости нет спинового углового момента и нет поперечного потока энергии. Показано, что при разной четности номеров двух цилиндрических векторных пучков в плоскости фокуса формируются области с продольной проекцией спинового углового момента разного знака и области с поперечным вращением световой энергии по замкнутым траекториям в разные стороны (по часовой и против часовой стрелки). То есть в плоскости фокуса имеют место продольные спиновый и орбитальный эффекты Холла. Если номера двух цилиндрических векторных пучков имеют одинаковую четность, то в плоскости фокуса поляризация неоднородная линейная и поток энергии (вектор Умова–Пойнтинга) имеет только продольную компоненту.
Бесплатно
Спиновый угловой момент в остром фокусе цилиндрического векторного пучка с оптическим вихрем
Статья научная
Рассмотрена острая фокусировка светового поля с двойной (фазовой и поляризационной) сингулярностью. С помощью метода Ричардса-Вольфа получено точное аналитическое выражение для продольной проекции вектора спинового углового момента в фокусе. Из этого выражения следует, что в фокусе формируются 4( n - 1) субволновые области, n - порядок цилиндрического векторного пучка, центры которых лежат на окружности определенного радиуса с центром на оптической оси. Причем в соседних областях знак спинового углового момента разный. Это означает, что в соседних областях в фокусе свет имеет левую и правую эллиптические поляризации (спиновый эффект Холла). В центре фокуса вблизи оптической оси имеет место правая эллиптическая поляризация ( m > 0) или левая эллиптическая поляризация, если m 0 против часовой стрелки, а при m
Бесплатно
