Дифракционная оптика, оптические технологии. Рубрика в журнале - Компьютерная оптика
Субволновая фокусировка лазерного излучения с помощью зонной пластинки из хрома
Статья научная
Проведено исследование характеристик фокусного пятна, формируемого зонной пластинкой диаметром 15 мкм из пленки хрома на стеклянной подложке и фокусным расстоянием в одну длину волны λ = 532 нм, в зависимости от высоты рельефа. Исследование показало, что высота рельефа 70 нм позволяет достичь оптимального соотношения размеров фокусного пятна по полуспаду интенсивности и максимальной интенсивности. С использованием сканирующего ближнепольного оптического микроскопа показано, что зонная пластинка с указанными параметрами фокусирует линейно поляризованный Гауссов пучок в эллиптическое пятно с размерами по полуспаду интенсивности вдоль декартовых координат FWHMx = 0,42λ и FWHMy = 0,64λ.
Бесплатно
Субволновая фокусировка лазерного излучения смешанной азимутально-линейной поляризации
Статья научная
В данной работе был рассмотрен четырёхсекторный пропускающий преобразователь поляризации для длины волны 633 нм, с помощью которого можно получить азимутально-поляризованный пучок из линейно-поляризованного. Численно показано, что, поместив непосредственно за преобразователем поляризации зонную пластинку Френеля с фокусным расстоянием 532 нм, можно сфокусировать свет в субволновое фокусное пятно с размерами по полуспаду интенсивности меньше дифракционного предела (размеры по полуспаду интенсивности равны 0,28 и 0,45 от длины волны фокусируемого света). Если же после прохождения четырёхсекторного пропускающего преобразователя свет сначала распространяется в свободном пространстве на расстояние 300 мкм и только потом фокусируется зонной пластинкой, то размер фокусного пятна составляет 0,42 и 0,81 от длины волны фокусируемого света (при этом размер пятна, сформированного только поперечной составляющей напряженности электрического поля, был равен 0,42 и 0,59 от длины волны). Последний численный результат был проверен экспериментально, полученные размеры пятна были равны 0,46 и 0,57 от длины волны.
Бесплатно
Субволновая фокусировка с помощью бинарного микроаксикона с периодом 800 нм
Статья научная
С помощью сканирующего микроскопа ближнего поля NT-MDT c кантиливером с отверстием 100 нм на расстоянии 100 нм от поверхности микроаксикона с диаметром 13,6 мкм периодом 800 нм и глубиной 465 нм, изготовленного совместно ИСОИ РАН и Университетом Сэнт-Эндрюса (Шотландия) по технологии электронной литографии на резисте ZEP520A, измерено фокусное пятно линейно-поляризованного лазерного света с длиной волны 532 нм, которое имело диаметр по полуспаду интенсивности равный 320 нм, что составляет 0,61 от длины волны. Глубина фокусировки по полуспаду интенсивности была равна 3 мкм, причём экспериментальные точки осевой интенсивности в фокусном отрезке с хорошей точностью (с.к.о. 13%) наложились на расчётную кривую осевой интенсивности, а приближённая оценка и строгое моделирование дают диаметр фокусного пятна по полуспаду интенсивности равный 0,54 от длины волны. Интенсивность в максимуме на оптической оси в 7 раз больше, чем интенсивность освещающего пучка.
Бесплатно
Субволновая фокусировка с помощью зонной пластинки Френеля с фокусным расстоянием 532 нм
Статья научная
Изготовлена и исследована фазовая бинарная зонная пластинка с фокусным расстоянием 532 нм, радиусом 7,7 мкм и глубиной рельефа 510 нм. С помощью ближнепольного микроскопа показано, что при освещении пластинки линейно поляризованным Гауссовым пучком с длиной волны 532 нм формируется фокусное пятно с диаметром интенсивности по полуспаду, равным 0,44 от длины волны.
Бесплатно
Суперпозиция вихревых световых пучков для захвата и перемещения биологических микрообъектов
Статья научная
В статье рассматривается возможность формирования модифицированной оптической ловушки для биологических микрообъектов из суперпозиции вихревых световых пучков. Представлены результаты экспериментов с использованием таких пучков.
Бесплатно
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
