Дифракционная оптика, оптические технологии. Рубрика в журнале - Компьютерная оптика
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
Сравнение устойчивости вихревых пучков Лагерра-Гаусса к случайным флуктуациям оптической среды
Статья научная
Численно и экспериментально исследовано распространение вихревых пучков Лагерра-Гаусса через случайную фазовую искажающую среду. Проанализировано влияние порядка моды на степень сохранения вихрей различных порядков в случайной среде. Экспериментально показано повышение устойчивости обнаружения вихря в пучке при небольшой дефокусировке выходного Фурье-каскада оптического коррелятора.
Бесплатно
Сравнение фокусировки коротких импульсов в приближении Дебая
Статья научная
Рассмотрены различные типы импульсов и свойства их частотных спектров. Расчёты показали, что существенное различие между импульсами начинается только при очень малых длительностях (менее периода осцилляции). В этом случае импульс Гаусса становится нефизичным и нужно использовать другие типы импульсов, например, импульс Пуассона. Выполнено сравнительное моделирование фокусировки коротких импульсов апланатическим объективом при различных состояниях поляризации и порядках вихревой сингулярности в приближении Дебая. Показано, что для субцикличного импульса Пуассона, имеющего значительную энергию в высоких частотах, состояние поляризации и наличие вихревой фазовой сингулярности существенно влияет на распределение в фокальной области.
Бесплатно
Статья научная
С помощью моделирования методом конечных разностей во временной области показано, что при острой фокусировке Гауссова пучка с линейной поляризацией и с внедренным оптическим вихрем зонной пластинкой Френеля и при фокусировке Гауссова пучка спиральной зонной пластинкой формируются фокусные пятна разной формы и по интенсивности, и по потоку энергии. Наиболее существенные различия наблюдаются при значении топологического заряда, равного трем. При фокусировке зонной пластинкой Френеля Гауссова пучка поток энергии имеет кольцевое распределение, в то время как при фокусировке спиральной зонной пластинкой форма интенсивности и потока энергии имеет три локальных максимума, что соответствует порядку спиральной зонной пластинки. На расстоянии 14,5 мкм от фокуса лепестковая структура интенсивности (и потока энергии) сменяется на кольцевое распределение.
Бесплатно
Сравнительное исследование спектральных свойств асферических линз
Статья научная
Проведён расчёт дифракционной асферической линзы с минимизированными геометрическими аберрациями на оси (акслинза). Показано, что такая линза обладает существенно лучшим угловым разрешением по сравнению с параболической линзой. Рассмотрены спектральные свойства акслинзы. Проведён натурный эксперимент по формированию изображения акслинзой.
Бесплатно
Статья научная
Предложен помехоустойчивый алгоритм post-обработки видеофайлов, записанных в условиях отсутствия виброизоляции оптической схемы цифрового спекл-интерферометра с непрерывным лазерным излучателем и диффузно-рассеивающим оптическим элементом, установленным перед объектом исследования. Проведено сопоставление результатов работы предложенного алгоритма с известным методом обработки видеопотока в реальном времени, основанным на последовательном определении разностных изображений с последующим их накоплением. Показана возможность увеличения контраста результирующих спекл-интерферограмм, полученных способом post-обработки на 19 – 48 % по сравнению с базовым методом. Апробация разработанного алгоритма осуществлена при исследовании форм собственных колебаний вибрирующей лопатки вентилятора газотурбинного двигателя.
Бесплатно
Сравнительное моделирование амплитудной и фазовой зонных пластинок
Статья научная
В работе с помощью FDTD-метода проведено сравнительное моделирование острой фокусировки лазерного света с помощью бинарных фазовой и амплитудных (тонкие металлические плёнки толщиной 20 - 30 нм) зонных пластинок Френеля. Вблизи колец зонной пластинки из серебра обнаружены субволновые локальные максимумы, интенсивность которых сравнима с интенсивностью в фокусе и которые объясняются возбуждением плазмонов.
Бесплатно
Сравнительное моделирование двумя методами острой фокусировки зонной пластинкой
Статья научная
Промоделирована фокусировка радиально-поляризованной моды двумя методами: FDTD и с помощью формул Ричардса-Вольфа. Показано, что оба метода демонстрируют возможность преодоления зонной пластинкой с радиусом R = 20(лямбда) дифракционного предела при освещении её модой R-TEM01 с радиусом (омега) = 10(лямбда). При расчёте методом FDTD преодоление дифракционного предела наблюдается для числовой апертуры, большей NA = 0,97, а по РВ-формулам - большей NA = 0,96. Относительная погрешность результатов вычисления ширины фокального пятна этими двумя методами при этом не превышает 6%.
Бесплатно
Статья научная
С помощью численного моделирования проведено сравнение двух типов дифракционных аксиконов - линейного и логарифмического - по характеристикам формируемых распределений интенсивности как продольных, так и поперечных. При этом оценивались: глубина осевой фокусировки и ширина формируемого светового пятна или центрального светового кольца (для вихревых аксиконов). Показаны преимущества логарифмического аксикона перед линейным аксиконом не только по равномерности распределения интенсивности вдоль оптической оси, но и существенный выигрыш в удлинении фокальной зоны при формировании узких осевых световых нитей и трубок.
Бесплатно
Сравнительный анализ хроматизма дифракционных и рефракционных линз
Статья научная
Приведены результаты сравнительного анализа хроматизма дифракционных и однородных рефракционных линз. Обсуждены возможности коррекции сферохроматизма третьего и пятого порядков таких линз. Даны рекомендации по эффективному использованию линз различного типа в гибридных рефракционно-дифракционных оптических системах.
Бесплатно
