Дифракционная оптика, оптические технологии. Рубрика в журнале - Компьютерная оптика
Суперпозиция двух смещенных с оптической оси пучков Лагерра-Гаусса
Статья научная
В работе найдены топологические заряды суперпозиции двух симметрично-смещенных с оптической оси пучков Лагерра-Гаусса с номерами (0, m ) и (0, n ). Показано, что если m = n , тотопологический заряд суперпозиции равен n . То есть два одинаковых смещенных с оптической оси пучка Лагерра-Гаусса имеют топологический заряд, как один пучок Лагерра-Гаусса. Если m 1 = ( m + n ) / 2, TC2 = TC1 + 1, TC3 = TC1 + 1/2 и TC4 = TC1 - 1/2. Правила выбора одного из 4 значений топологических зарядов также установлены. При отсутствии смещения с оптической оси двух пучков Лагерра-Гауссатопологический заряд суперпозиции равен большему из двух топологических зарядов, то есть n . А при любом сколь угодно малом смещении с оптической оси топологический заряд суперпозиции либо остается таким же, как до смещения, либо уменьшается на четное число. Это объясняется тем, что из бесконечности «приходит» четное число оптических вихрей с топологическим зарядом- 1, которые компенсируют такое же число оптических вихрей в суперпозиции с топологическим зарядом + 1. Интересно также, что при сложении двух смещенных с оптической оси пучков Лагерра-Гаусса с определенными наклонами к оптической оси, такими, чтобы суперпозиция являлась структурно-устойчивым пучком, на некоторой линии формируется бесконечное число винтовых дислокаций с топологическим зарядом + 1. Полный топологический заряд такой суперпозиции бесконечный.
Бесплатно
Суперструктурированные адресные волоконные брэгговские структуры
Статья научная
Представлены результаты теоретического исследования возможностей многоадресных волоконно-оптических брэгговских структур, сформированных на базе комбинации массива из однородных слабоотражающих волоконных решеток Брэгга и специально структурированных дискретных фазовых сдвигов. Исследование проведено на основе математического аппарата матриц рассеяния и передачи. Полученные решения открывают новые перспективы для интеграции многоадресных волоконно-оптических брэгговских структур в устройства радиофотоники и волоконно-оптические сенсорные системы, обеспечивая формирование нового класса как радиофотонных устройств, так и базовых пассивных оптических элементов. Рассмотренные в работе многоадресные брэгговские структуры одновременно выполняют роль как формирователей радиофотонного излучения, так и чувствительных элементов, что обеспечивает выполнение ключевых требований, предъявляемых к компонентам радиофотонных систем в целом. Приведены принципы управления спектральными характеристиками многоадресных систем данного класса.
Бесплатно
Теоремы о сохранении орбитального углового момента суперпозиций смещённых оптических вихрей
Статья научная
Доказаны две теоремы о сохранении орбитального углового момента (ОУМ) суперпозиции одинаковых оптических вихрей с произвольной радиально-симметричной формой и целым топологическим зарядом n, смещённых с оптической оси. Нормированный ОУМ такой суперпозиции при произвольном смещении центров пучков с оптической оси и при любых вещественных весовых коэффициентах равен ОУМ каждого отдельного пучка, входящего в суперпозицию. Если центры пучков находятся на одной прямой, проходящей через начало координат, то даже при комплексных весовых коэффициентах нормированный ОУМ суперпозиции равен ОУМ каждого отдельного входящего в неё пучка. Эти теоремы позволяют формировать лазерные вихревые пучки с разным (не обязательно радиально-симметричным) распределением интенсивности, но обладающие одинаковым ОУМ. Приведены результаты численного моделирования для суперпозиций пучков Бесселя, Ханкеля-Бесселя, Бесселя-Гаусса и Лагерра-Гаусса с одинаковыми ОУМ.
Бесплатно
Статья научная
Проведено аналитическое и численное исследование формирования цилиндрических векторных пучков в двулучепреломляющих кристаллах по схемам с одним совмещённым фокусом и с двумя фокусами. В схеме с двумя фокусами при наличии вихревой фазы у исходного пучка c круговой поляризацией в одном из фокусов формируется радиально-поляризованное распределение, а в другом - азимутально-поляризованное. Данные результаты обобщены на случай формирования радиально- и азимутально-поляризованных лазерных мод высших порядков. Натурные эксперименты с кристаллом исландского шпата подтверждают результаты моделирования.
Бесплатно
Теория возмущений для уравнения Шрёдингера в периодической среде в квазиимпульсном представлении
Статья научная
В статье проанализированы некоторые известные результаты о движении осциллятора Блоха в кристалле в импульсном представлении. Показано, что описание движения электрона в изложении ряда авторов является неполным. На самом деле, точное описание поведения электрона в кристаллической решётке возможно только на основе решения уравнения Шрёдингера в импульсном представлении. В работе получены приближённые решения уравнения Шрёдингера для электрона в периодическом потенциале кристаллической решётки и уравнения для эволюции средних значений оператора импульса и координаты. Для описания поведения электрона в кристаллической решётке при наличии однородного электрического поля и возмущения, вызванного внешней электромагнитной волной, использована теория возмущений. Представленные методы в дальнейшем можно использовать для расчёта оптических устройств, в том числе оптических транзисторов.
Бесплатно
Теория катастроф и каустики радиально-симметричных пучков
Статья научная
Работа посвящена исследованию каустик радиальных пучков. Найдены аналитические выражения для каустических поверхностей волновых фронтов, создаваемых радиально-симметричными дифракционными оптическими элементами. Результат представлен в криволинейной системе координат, согласованной с каустической поверхностью. Получено асимптотическое представление интеграла Кирхгофа вблизи оптической оси, обеспечивающее корректность расчетов в непараксиальном случае.
Бесплатно
Теория связанных мод для резонансных дифракционных решёток с изменяющимся периодом
Статья научная
В работе предложена теория связанных мод для резонансных дифракционных решеток с изменяющимся периодом. Рассмотрены дифракционные структуры, у которых вектор обратной решетки - величина, обратно пропорциональная периоду, - линейно изменяется в направлении периодичности. Показано, что оптические свойства такой структуры существенным образом зависят от скорости изменения периода. На основе сравнения с результатами строгого численного моделирования в рамках метода фурье-мод показана высокая точность предложенной теоретической модели. В частности, разработанная теория связанных мод описывает уширение резонансного пика и появление вторичных максимумов, вызванные ненулевой скоростью изменения периода. Полученные результаты могут найти применение при разработке линейно изменяющихся спектральных фильтров на основе резонансных дифракционных решеток с изменяющимися параметрами.
Бесплатно
Статья научная
Проведены сравнительные исследования характеристик Бесселевых и «совершенных» пучков с топологическим зарядом 9, созданных с помощью бинарного кремниевого аксикона и «голографического» алмазного аксикона с непрерывным профилем при значении длины волны 141 мкм на Новосибирском лазере на свободных электронах. Сформированы пучки с линейной, азимутальной и радиальной поляризацией. Проведено сравнение поперечного сечения пучков, созданных разными аксиконами, в зависимости от расстояния. Приведен пример применения совершенных пучков с радиальной поляризацией для возбуждения вихревых плазмон-поляритонов на цилиндрическом проводнике.
Бесплатно
Термооптические аберрации радиально-симметричных дифракционных оптических элементов
Статья научная
Получены аналитические выражения температурного изменения аберрационных коэффициентов радиально-симметричного дифракционного оптического элемента в приближении третьего порядка малости, а также условие устранения терморасфокусировки дифракционно-рефракционного синглета. Проанализированы возможности коррекции аберраций в широком температурном диапазоне как одиночного дифракционного оптического элемента, так и дифракционно-рефракционного синглета.
Бесплатно
Статья научная
Экспериментально определены режимы импульсно-периодического лазерного воздействия с термоциклированием для формирования в двухкомпонентном сплаве системы Cu-Zn латуни Л62 нанопористой структуры, состоящей из наноразмерных пор преимущественно канального типа. Преобразование лазерного излучения в световое пятно с равномерным распределением плотности мощности осуществлялось с помощью оптической системы, содержащей элемент дифракционной компьютерной оптики – фокусатор излучения. При реализации выбранных режимов обеспечивается локальность по глубине и площади физических процессов, протекающих в зоне термического влияния, при сохранении исходных свойств материала и отсутствии значительных деформаций в остальном объёме. Под влиянием термических напряжений в двухкомпонентной латуни происходит увеличение количества дефектов структуры – вакансий, дислокаций и их скоплений. В материале толщиной 0,05 мм формируются субмикрополости клинообразной формы, которые сужаются у своих краёв с образованием протяжённых наноразмерных каналов шириной не более 100 нм.
Бесплатно
Технология создания фотонной интегральной схемы на подложке из ниобата лития
Статья научная
Предложена новая технология изготовления фотонной интегральной схемы на подложке из ниобата лития. Показано, что необязательно легировать верхний слой ниобата лития для создания волноводной системы и управления излучением. Достаточно нанести на поверхность ниобата лития слой материала с большим, чем у ниобата лития показателем преломления. Таким образом, получается несимметричный волновод, излучение в котором в основном проникает в глубину ниобата лития. За счёт этого, проложив металлические электроды вдоль волноводного слоя, можно управлять скоростью распространения излучения в волноводе и, соответственно, создавать управляемые фотонные схемы, например амплитудный модулятор Маха–Цендера или фазовый модулятор. Экспериментально была создана и исследована технология напыления слоя двуокиси титана на поверхность ниобата лития. Также была отполирована торцевая сторона пластины ниобата лития и показано, что после финишной полировки излучение выходит с торцевого конца пластины. Это позволит создавать фотонные интегральные схемы с линейкой близкорасположенных волноводов, из которых излучение может быть выведено в пространство и попадать в объектив фото- или видеокамеры для дальнейшей обработки.
Бесплатно
Тонкая металинза с высокой числовой апертурой
Статья научная
Изготовлена и исследована тонкая металинза в плёнке аморфного кремния диаметром 30 мкм c фокусным расстоянием, равным длине волны 633 нм, с периодом субволновой структуры 220 нм и глубиной рельефа 110 нм. Линза одновременно управляет поляризацией и фазой падающего на неё лазерного света. Она преобразует линейную поляризацию в радиальную и осуществляет острую фокусировку света. Такая металинза была изготовлена по технологии электронной литографии и ионного травления. Фокусное пятно, сформированное такой линзой, при освещении её Гауссовым пучком с линейной поляризацией имело размеры по декартовым осям и по полуспаду интенсивности, равные 0,49 и 0,55 длины волны. Это фокусное пятно меньше всех других фокусных пятен, полученных с помощью металинз. Экспериментальные результаты согласуются с результатами моделирования: размеры фокусного пятна 0,46 и 0,52 мкм соответственно.
Бесплатно
Тонкая структура отображений структурированного пучка Лагерра–Гаусса на орбитальную сферу Пуанкаре
Статья научная
Теоретически найдены и экспериментально измерены элементы 4D симплектической матрицы моментов интенсивности второго порядка P для параксиальных структурированных пучков Лагерра–Гаусса с двумя управляющими параметрами – амплитудным ε и фазовым θ. Показано, что только три элемента матрицы P из десяти являются независимыми и измеряемыми в эксперименте. Остальные элементы определяются через них после дополнительных измерений. Симплектические свойства матрицы позволили получить 2D эрмитову матрицу (аналогичную матрице когерентности в оптике) и рассчитать орбитальные параметры Стокса (S1, S2, S3). Сумма квадратов орбитальных S-параметров образует инвариант S оптической системы первого порядка. В терминах элементов матрицы P орбитальные параметры Стокса параметризуются параметром θ структурированного пучка Лагерра–Гаусса. Инвариант S рассматривается как радиус сферы (орбитальная сфера Пуанкаре) в декартовых координатах (S1, S2, S3). Эти координаты указывают на состояние структурированного пучка Лагерра–Гаусса на сфере в виде пространственных траекторий с самопересечениями. Вариация амплитудного параметра контролирует площадь, охваченную траекторией, ее форму и положение точек самопересечения.
Бесплатно
Тонкий коллиматор для светодиодов
Статья научная
Предложена конструкция коллиматора для светодиодов, обладающего малой толщиной. Коллиматор состоит из рефлектора и преломляющего оптического элемента, работающего по принципу полного внутреннего отражения. Представлен расчёт коллиматора с полной толщиной 5 мм и диаметром 30 мм. Согласно результатам моделирования, для ламбертовского источника с размером 1x1 мм2 коллиматор обеспечивает формирование пучка с расходимостью по полуспаду интенсивности менее 4 градусов при эффективности 84%. Проведён анализ рабочих характеристик коллиматора в зависимости от размеров источника и от ошибок позиционирования элементов коллиматора.
Бесплатно
Тонкопленочная медь как маскирующий слой в процессе плазмохимического травления кварца
Статья научная
В работе рассматривается методика формирования микрорельефов дифракционных оптических элементов плазмохимическим травлением с применением в качестве материала маскирующего слоя меди.
Бесплатно
Топологическая стабильность оптических вихрей при дифракции на случайном фазовом экране
Статья научная
Теоретически показано, что распределение средней интенсивности в фокусе сферической линзы Гауссова оптического вихря, рассеянного фазовым случайным экраном (диффузором), имеет вид кольца с отличным от нуля значением на оптической оси. Радиус кольца средней интенсивности зависит как от топологического заряда оптического вихря, так и от рассеивающей силы диффузора. Поэтому по радиусу средней интенсивности нельзя однозначно судить о величине топологического заряда. Однако о величине топологического заряда оптического вихря можно судить по числу сингулярных фазовых точек, которые можно определить датчиком Шака - Гартмана. Показано также, что если использовать линейную комбинацию двух оптических вихрей, то распределение средней интенсивности будет иметь локальные максимумы, число которых равно разности топологических зарядов двух исходных вихрей. Число этих максимумов уже не будет зависеть от степени рассеяния диффузора и может служить индикатором для идентификации оптического вихря. Моделирование и эксперимент подтверждают теоретические выводы.
Бесплатно
Статья научная
В работе с помощью интеграла Рэлея-Зоммерфельда и формулы Берри рассчитан топологический заряд Гауссова оптического вихря с начальным дробным топологическим зарядом. Показано, что при разной дробной части топологического заряда в пучке присутствует разное число винтовых дислокаций, которые определяют топологический заряд всего пучка. При малой дробной части пучок топологического заряда состоит из основного оптического вихря с центром на оптической оси с топологическим зарядом, равным ближайшему целому числу (пусть n ), и двух краевых дислокаций, расположенных на вертикальной оси (выше и ниже центра). При увеличении дробной части начального топологического заряда из верхней краевой дислокации формируется «диполь», состоящий из двух вихрей с топологическим зарядом + 1 и - 1. При дальнейшем увеличении дробной части дополнительный вихрь с топологическим зарядом + 1 смещается к центру пучка, а вихрь с топологическим зарядом - 1 смещается на периферию. При дальнейшем увеличении дробной части топологического заряда из нижней краевой дислокации формируется другой «диполь», у которого, наоборот, вихрь с топологическим зарядом - 1 смещается к оптической оси (к центру пучка), а вихрь с топологическим зарядом + 1 смещается на периферию пучка. Когда дробная часть топологического заряда становится равна 1 / 2, «нижний» вихрь с топологическим зарядом - 1, который смещался к центру пучка, начинает смещаться на периферию, а «верхний» вихрь с топологическим зарядом + 1 все ближе и ближе смещается к центру пучка и сливается с основным вихрем при приближении дробной части к 1. Такая динамика дополнительных вихрей с топологическим зарядом + 1 сверху и с топологическим зарядом - 1 снизу определяет, какой целый топологический заряд будет у пучка ( n или n + 1) при разных значениях дробной части из отрезка [ n , n + 1].
Бесплатно
Топологический заряд оптических вихрей без радиальной симметрии
Статья научная
Теоретически получены значения топологических зарядов для вихревых лазерных пучков, не обладающих радиальной симметрией: асимметричных пучков Лагерра - Гаусса, Бесселя-Гаусса и Куммера, а также для вихревых пучков Эрмита - Гаусса. Все эти пучки являются суперпозицией обычных мод Лагерра - Гаусса, Бесселя - Гаусса и Эрмита - Гаусса соответственно. Но, несмотря на это, топологический заряд у всех этих мод одинаков и равен топологическому заряду одной моды n. Орбитальные угловые моменты, нормированные на мощность пучка, у всех этих пучков разные и по-разному изменяются при изменении степени асимметрии пучка. Но топологический заряд при любой степени асимметрии этих пучков остаётся постоянным и равным n. При сложении всего двух мод Эрмита - Гаусса с соседними номерами (n , n + 1) и с задержкой по фазе на p / 2 получается модовый пучок, топологический заряд которого равен - (2n + 1). Моделирование подтверждает теоретические предсказания.
Бесплатно
Топологический заряд оптических вихрей и их суперпозиций
Статья научная
Показано, что целый топологический заряд оптического вихря сохраняется при искажении оптического вихря любой амплитудной диафрагмой (но без точек с нулевым пропусканием) и при смещении оптического вихря с оси любого несущего осесимметричного пучка. Если в пучке имеется конечное число смещённых с оси оптических вихрей с разными топологическими зарядами одного знака, то суммарный топологический заряд всего пучка будет равен сумме всех топологических зарядов. Топологический заряд осевой суперпозиции, состоящей из конечного числа мод Лагерра-Гаусса с номерами ( n , 0), равен номеру моды с максимальным топологическим зарядом (вместе со знаком). Если максимальные положительный и отрицательный топологические заряды мод в комбинации равны, то «побеждает» тот топологический заряд, у которого весовой коэффициент по модулю больше. Если эти коэффициенты равны, то топологический заряд пучка равен нулю. При осевом сложении двух Гауссовых оптических вихрей с разными топологическими зарядами и разными амплитудами топологический заряд суперпозиции будет равен топологическому заряду Гауссова вихря с большим по модулю весовым амплитудным коэффициентом, независимо от соотношения топологических зарядов каждого пучка.
Бесплатно
Топологический заряд суперпозиции двух пучков Бесселя–Гаусса
Статья
В работе теоретически показано, что у суперпозиции двух пучков Бесселя–Гаусса с разными топологическими зарядами и разными масштабными множителями (радиальными проекциями волновых векторов) топологический заряд равен топологическому заряду того пучка Бесселя–Гаусса, у которого больше масштабный множитель. Если у пучков Бесселя–Гаусса масштабные множители равны, то топологический заряд суперпозиции равен топологическому заряду того пучка Бесселя–Гаусса, у которого больше модуль весового коэффициента (больше мощность). Если и мощности пучков одинаковы, то топологический заряд суперпозиции равен среднему арифметическому от топологических зарядов каждого пучка Бесселя–Гаусса в суперпозиции. При условии, что сумма топологических зарядов обоих пучков нечётная, топологический заряд суперпозиции будет полуцелым числом. Но на практике из-за конечного радиуса окружности, на котором рассчитывается топологический заряд, полуцелого топологического заряда для вырожденного случая не получается. Вместо полуцелого топологического заряда, получается целый топологический заряд, меньший из двух. Моделирование показывает, что при небольшой разнице в весовых коэффициентах топологический заряд суперпозиции не сохраняется: в ближней зоне и зоне Френеля топологический заряд равен большему из двух, а в дальней зоне – меньшему. Причем переход топологического заряда от большего к меньшему происходит не скачком, а непрерывно на некотором расстоянии. В переходной зоне топологический заряд дробный.
Бесплатно
