Дифракционная оптика, оптические технологии. Рубрика в журнале - Компьютерная оптика
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
Спиновый угловой момент гауссовых пучков с несколькими поляризационными сингулярностями
Статья научная
Исследован параксиальный векторный Гауссов пучок с несколькими поляризационными сингулярностями, расположенными равномерно на окружности. Такой пучок является суперпозицией цилиндрически поляризованного пучка Лагерра-Гаусса с линейно поляризованным Гауссовым пучком. Показано, что, несмотря на линейную поляризацию в начальной плоскости, при распространении в пространстве формируются чередующиеся области с плотностью спинового углового момента разного знака, что свидетельствует о спиновом эффекте Холла. Установлено, что в любой поперечной плоскости максимальный по величине спиновый угловой момент достигается на окружности определённого радиуса. Получено приближённое выражение для расстояния до поперечной плоскости с максимальной плотностью спинового углового момента. Кроме того, получен радиус окружности с сингулярностями, для которого достижимая плотность спинового углового момента максимальна. Обнаружено, что в этом случае энергии пучков Лагерра-Гаусса и Гаусса равны. Получено выражение для плотности орбитального углового момента, и установлено, что она равна плотности спинового углового момента, умноженной на - m /2, где m - порядок пучка Лагерра-Гаусса, равный числу поляризационных сингулярностей. Рассмотрена аналогия с плоскими волнами, и обнаружено, что спиновый эффект Холла возникает из-за разной расходимости у линейно поляризованного Гауссова пучка и у цилиндрически поляризованного пучка Лагерра-Гаусса.
Бесплатно
Статья научная
Исследован спиновой угловой момент двухпорядковых цилиндрических векторных пучков в остром фокусе. Такие пучки являются обобщением стандартных цилиндрических векторных пучков, поскольку у разных поперечных компонент поля порядок поляризации тоже разный. На основе теории Ричардса-Вольфа получено выражение для распределения плотности продольной составляющей спинового углового момента. Показано, что если порядки поляризации имеют разную чётность, то в остром фокусе возникает спиновый эффект Холла, то есть формируются чередующиеся области с положительным и отрицательным спиновым угловым моментом, хотя начальное поле имело линейную поляризацию. Исследован спектр угловых гармоник всех компонентов сфокусированного светового поля, и определены преобладающие угловые гармоники. Пренебрегая несущественными гармониками, определена форма распределения продольной составляющей плотности спинового углового момента и показана возможность формирования фокального распределения, в котором области с положительным и отрицательным спиновым угловым моментом находятся на кольце в виде чередующихся пар или разделены по разным полуокружностям.
Бесплатно
Спиновый эффект Холла при прохождении света с линейной поляризацией через метаповерхность
Статья научная
Рассчитана плотность продольной компоненты вектора спинового углового момента для параксиального векторного гауссова пучка с периодической одномерной модуляцией. У такого пучка спиновый угловой момент в начальной плоскости равен нулю и поляризация неоднородная линейная. А при распространении такого пучка в свободном пространстве из-за периодической модуляции он эффективно разделяется на два пучка, в которых будет левая и правая эллиптическая поляризация. То есть в сечении пучка области со спином разного знака разделены в пространстве, что является проявлением спинового эффекта Холла. Сформировать такой световой пучок можно с помощью метаповерхности, пропускание которой описывается периодической функцией одной из координат.
Бесплатно
Спиральная фазовая пластинка со множеством центров сингулярности
Статья научная
Рассмотрена мультиспиральная фазовая пластинка, у которой имеется множество центров сингулярности фазы, расположенных в произвольных точках в плоскости пластинки. Получены замкнутые выражения для топологического заряда вихревого поля в начальной плоскости сразу за обычной спиральной фазовой пластинкой и нормированного на мощность пучка орбитального углового момента. Топологический заряд в начальной плоскости равен сумме топологических зарядов каждой сингулярности, если их центры находятся внутри круглой апертуры конечного радиуса. Если часть центров сингулярности фазы лежит на границе круглой диафрагмы, ограничивающей обычную спиральную фазовую пластинку, то их топологический заряд в сумме нужно поделить на 2. Орбитальный угловой момент зависит от расположения центров сингулярности: чем дальше от центра пластинки расположен центр сингулярности, тем меньше вклад в орбитальный угловой момент. Если все центры сингулярности лежат на границе, ограничивающей мультиспиральную фазовую пластинку диафрагмы, то орбитальный угловой момент пучка равен нулю, хотя топологический заряд пучка в этом случае будет отличен от нуля.
Бесплатно
Спиральность пучков Пуанкаре в остром фокусе
Статья научная
В данном исследовании была рассмотрена спиральность пучков Пуанкаре с точки зрения формализма Ричардса–Вольфа. Было показано, что спиральность для пучков Пуанкаре всегда обладает радиальной симметрией и не зависит от азимутального угла пучка. Абсолютная величина спиральности максимальна, когда полярный угол пучка равен нулю или π (полюса на сфере Пуанкаре), и отсутствует, когда он равен π/2 (экватор на сфере Пуанкаре). Ненулевые значения спиральности на оптической оси наблюдаются для порядков пучка 0, 1 и 2. Если полярный угол пучка равен нулю, интенсивность пучков Пуанкаре с точностью до множителя совпадает со спиральностью.
Бесплатно
Спиральные пучки для замкнутых кривых как обобщение пучков Лагерра-Гаусса
Статья научная
В работе исследованы спиральные пучки как обобщение известных пучков Лагерра-Гаусса. Показано, что, подобно пучкам Лагерра-Гаусса, данное обобщение также описывается действием некоторого оператора. Найден ряд характеристик таких пучков: условие квантования, амплитуда, скалярное произведение и угловой момент, а также результат их астигматического преобразования. Полученные результаты могут представлять интерес для лазерных технологий и микроманипулирования.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается задача подключения антенной решётки радиоизлучения к волоконно-оптической линии системы Radio-over-Fiber для широкополосного сигнала. Для устранения частотно-пространственной зависимости диаграммы направленности предложено включить излучатели антенной решётки через разработанное оптическое устройство, разветвляющее оптические сигналы в соответствии с заданными частотными полосами. Разработана методика расчёта структуры электромагнитного поля внутри рабочего тела предложенного оптического устройства. Установлено, что показатель преломления оптической рабочей области должен иметь требуемое 3D-распределение. Намечен подход к обеспечению заданного свойства.
Бесплатно
Сравнение аналитического и полученного конечно-разностным методом решений для круглого волокна
Статья научная
В настоящей работе рассматривается конечно-разностный метод расчета констант распространения и полей векторных мод круглых оптических волокон со ступенчатым профилем показателя преломления. Производится оценка точности полученного таким образом решения волнового уравнения с соответствующим аналитическим решением, которое является известным для данного типа волокон.
Бесплатно
Статья научная
С помощью матриц и векторов Джонса показано, что оптический элемент с метаповерхностью, анизотропное пропускание которого описывается матрицей поворота поляризации на угол m φ, φ - полярный угол, при освещении светом с линейной поляризацией формирует азимутальную или радиальную поляризацию порядка m . При освещении светом с круговой поляризацией такой элемент формирует оптический вихрь с топологическим зарядом m . Этот поляризационно-фазовый конвертор (ПФК) выполняет спин-орбитальное преобразование, аналогичное тому, которое выполняют жидкокристаллические q -пластинки. Численно FDTD-методом показано, что при освещении ПФК с m = 2 светом с линейной или круговой поляризацией и последующей острой фокусировкой с помощью бинарной зонной пластинки вблизи фокуса на оптической оси формируется обратный поток световой энергии, сравнимый по величине с прямым потоком. Причем обратный поток при фокусировке оптического вихря с топологическим зарядом 2 и с круговой поляризацией равен обратному потоку при фокусировке света с поляризационной сингулярностью 2-го порядка.
Бесплатно
Статья научная
На примерах таких фотонно-кристаллических интерференционных оптических элементов, как изгибы волноведущих структур, узел пересечения трех волноводов, узел ввода излучения, Y-образный логический элемент «НЕ» и логический элемент «НЕ» на кристалле с самоколлимацией, рассматриваются два подхода к расчету элементов интегральной оптики: методы безградиентной оптимизации (методы оптимизации нулевого порядка) и генетический алгоритм. Оба подхода используют решение прямой задачи дифракции FDTD-методом. Делаются выводы о возможности применения данных подходов к расчету фотонно-кристаллических оптических элементов: сравнение рассчитанных результатов по критерию эффективности демонстрирует преимущество авторского модифицированного генетического алгоритма по сравнению с методами покоординатного спуска и Хука–Дживса для элементов, в которых излучение распространяется не по прямолинейному пути, а для элементов, проводящих излучение по прямому волноводу, методы оптимизации нулевого порядка дают такую же эффективность, как и генетическая оптимизация (более 99 %), при этом вычислительная сложность данных методов ниже. Особое внимание уделяется рассмотрению метода «частичного перебора». На примере изгиба фотонно-кристаллического волновода на 120° показано, что рассчитанный данным методом элемент характеризуется передачей излучения практически без потерь, при этом вычислительная сложность расчета в 2 раза меньше, чем у генетического алгоритма.
Бесплатно
Сравнение свойств гипергеометрических мод и мод Бесселя
Статья научная
Выполнено численное моделирование распространения гипергеометрических и бесселевых мод, а также их ограниченных апертурой аналогов. Проведено сравнительное исследование этих четырех типов лазерных пучков.
Бесплатно
