Дифракционная оптика, оптические технологии. Рубрика в журнале - Компьютерная оптика
Уточнённая модель дисперсии для кварцевого стекла
Статья научная
Найдены параметры (резонансные длины волн, амплитуды и коэффициенты демпфирования) модели Селлмейера для более точного согласования (среднеквадратическое отклонение 6%) модельных кривых показателей преломления и поглощения с облаком экспериментальных значений дисперсионных кривых кварцевого стекла в диапазоне от 20 нм до 100 мкм. Сравнение результатов моделирования распространения Гауссова (по пространству и по времени) импульса длительностью 3,35 фс и длиной волны 532 нм в планарных волноводах из кварцевого стекла, дисперсия которых описывалась стандартной и уточнённой моделями Селлмейера, показало существенное влияние дисперсии на распространение импульса: в 10 раз большее поглощение и замедление на 0,35 мкм за 7 мкм.
Бесплатно
Статья научная
Проведено моделирование влияния искажающих факторов в виде волновых аберраций на изображение в когерентном и некогерентном случаях. Показано, что дефокусировку можно компенсировать не только с помощью кубического фазового распределения, но и другими типами асимметричных фазовых функций, в том числе с дробной степенью. При этом аподизация изображающей системы такой фазовой функцией обеспечивает более гладкий характер оптической передаточной функции, что может быть полезно при восстановлении закодированного изображения.
Бесплатно
Статья научная
Теоретически и численно показано, что планарная структура, состоящая из двух изотропных диэлектрических слоёв, может быть использована для уменьшения паразитного рассеяния поверхностных плазмон-поляритонов при произвольном угле падения. Средние потери на рассеяние для рассмотренного примера уменьшаются на порядок до 0,015. Фазовая модуляция и преломление поверхностных плазмонов с подавлением рассеяния хорошо описываются аналитической моделью, основанной на формулах Френеля. Предложенный подход может быть использован при создании плазмонных линз, рефлекторов, плазмонных кристаллов и резонаторов плазмонных лазеров.
Бесплатно
Фокусировка векторного поля с С-линиями поляризационной сингулярности
Статья научная
Рассмотрена острая фокусировка начального гибридного векторного светового поля n -го порядка, имеющего n С-линий (линий, на которых поляризация круговая). С помощью комплексного поля Стокса показано, что индекс поляризационной сингулярности такого поля равен n / 2. Показано, что индекс сингулярности начального поля не сохраняется в плоскости фокуса. Получены аналитические выражения для интенсивности и компонент вектора Стокса в плоскости фокуса. Теоретически и численно показано, что при четном порядке поля n = 2 p в фокусе картина интенсивности обладает симметрией и вместо С-линий формируются С-точки, вокруг которых вращаются оси эллипсов поляризации. При n = 4 в фокусе имеются С-точки c индексами сингулярности 1 / 2 и с топологией типа «лимон». Вокруг таких точек поверхность, которую образуют эллипсы поляризации в трехмерном пространстве, имеет топологию листа Мебиуса. При нечетном порядке начального поля n = 2 p + 1 в фокусе картина интенсивности не имеет симметрии и поле становится только векторным (нет эллиптической поляризации) с V-точками, вокруг которых вращаются векторы линейной поляризации.
Бесплатно
Фокусировка вихревого пучка с круговой поляризацией: спиновый, орбитальный и общий угловой момент
Статья научная
На основе формализма Ричардса-Вольфа получены два разных точных выражения для плотности углового момента света в фокусе оптического вихря с топологическим зарядом n и с правой круговой поляризацией. Одно выражение для плотности углового момента получается как векторное произведение радиус-вектора на вектор Пойнтинга и имеет ненулевое значение в фокусе для произвольного целого числа n . Другое выражение для плотности углового момента равно сумме орбитального углового момента и спинового углового момента и в фокусе рассматриваемого светового поля равно нулю при n = -1. Оба эти выражения не равны друг другу в каждой точке пространства, но их трёхмерные интегралы равны. Таким образом, получены точные выражения для плотностей углового момента (УМ), спинового углового момента (СУМ) и орбитального углового момента (ОУМ) в фокусе оптического вихря с правой круговой поляризацией, и показано, что тождество для плотностей УМ = СУМ + ОУМ неверно. Кроме того, показано, что выражения для векторов напряжённости электрического и магнитного полей вблизи острого фокуса, полученные на основе формализма Ричардса-Вольфа, являются точными решениями уравнений Максвелла. Таким образом, теория Ричардса-Вольфа точно описывает поведение света вблизи острого фокуса в свободном пространстве.
Бесплатно
Статья научная
В статье показано, что при дифракции плоской волны с ТМ-поляризацией на диэлектрическом цилиндре с резонансным радиусом размер фокусного пятна больше, чем при дифракции ТЕ-поляризованной волны, и резонансный радиус для мод шепчущей галереи (ШГ) с ТМ-поляризацией немного больше, чем резонансный радиус соответствующей моды ШГ с ТЕ-поляризацией. Также продемонстрировано, что моды ШГ высоких порядков возбуждаются в цилиндрах, радиусы которых примерно обеспечивают достижение экстремумов функциям Бесселя, но увеличение номера моды ШГ не обязательно приводит к уменьшению размеров фокусного пятна.
Бесплатно
Фокусировка линейно-поляризованного оптического вихря и эффект холла
Статья научная
Рассмотрена острая фокусировка оптического вихря с целым топологическим зарядом и с линейной поляризацией. Мы показали, что по отдельности сохраняются при распространении пучка усредненные по сечению пучка продольные компоненты вектора спинового углового момента (он равен нулю) и орбитального углового момента (он равен произведению мощности пучка на величину топологического заряда). Это сохранение приводит к тому, что в фокусе формируется спиновый эффект Холла, когда появляется четное число областей с разным знаком продольной проекции спинового углового момента. Аналогично орбитальный эффект Холла в фокусе состоит в том, что появляется четное число областей с разным направлением вращения поперечного потока энергии (по часовой и против часовой стрелки) разделеных в фокусе. В данном случае таких локальных областей вблизи оптической оси всего четыре для любого топологического заряда. Мы показали, что полный поток энергии, пересекающий фокальную плоскость, меньше полной мощности пучка, так как часть мощности распространяется вдоль фокальной плоскости. Также мы показали, что продольная компонента вектора углового момента не равна сумме спинового углового момента и орбитального углового момента. Более того, в выражении для плотности углового момента нет слагаемого спинового углового момента. Эти величины не зависят друг от друга. Распределение в фокусе продольной проекции углового момента характеризует орбитальный эффект Холла, а распределение продольной проекции спинового углового момента характеризует спиновый эффект Холла в фокусе.
Бесплатно
Фокусировка непрерывного и импульсного лазерного излучения с помощью микросферы
Статья научная
Рассмотрена фокусировка непрерывного и импульсного излучения с помощью полистироловой микросферы (микрошара) диаметром от 0,5 мкм до 5 мкм. Методом FDTD показано, что в обоих случаях при некоторых радиусах сферы возможно преодоление дифракционного предела. Моделирование с помощью программы FullWave показало, что при фокусировке микросферой с радиусом 2,5 мкм непрерывного лазерного излучения (плоская волна с длиной волны λ = 633 нм) наименьший диаметр фокуса, формируемого сферой, FWHM = (0,55 ± 0,08) λ, а при фокусировке импульса длиной 1,25 фс (λ = 633 нм) – FWHM = 0,54λ. Численные результаты, полученные с помощью программы FullWave, согласуются с результатами, полученными с помощью программы MEEP (FWHM = 0,60λ), и находятся в согласии с экспериментальными данными (FWHM = 0,60λ), полученными методом сканирующей ближнепольной оптической микроскопии.
Бесплатно
Фокусировка цилиндрических векторных пучков дробных порядков
Статья научная
С помощью моделирования острой фокусировки векторных пучков с азимутальной поляризацией дробного порядка 0
Бесплатно
Фокусировка цилиндрического векторного пучка второго порядка градиентной линзой Микаэляна
Статья научная
В данной работе моделировалась фокусировка цилиндрического векторного пучка второго порядка градиентной линзой Микаэляна. Показано, что линза формирует вблизи своей выходной поверхности область обратного потока энергии. В случае, если высоту линзы сделать больше расчётной и снабдить углублением на оси, удаётся локализовать область прямого потока энергии внутри материала линзы, а область с преимущественно обратным потоком энергии вынести в свободное пространство.
Бесплатно
Фокусировка цилиндрического векторного пучка и эффект холла
Статья научная
Известно, что в сечении цилиндрического векторного пучка высокого порядка поляризация локально линейная. Причём чем выше порядок пучка, тем большее число полных оборотов совершают векторы локальной линейной поляризации при обходе вокруг оптической оси. Известно также, что цилиндрический векторный пучок с радиально-симметричной амплитудой имеет в начальной плоскости и в плоскости фокуса нулевой спиновый угловой момент и орбитальный угловой момент (так как у всех декартовых составляющих поля производная фазы по полярному углу равна нулю). В работе показано, что вблизи фокальной плоскости цилиндрического векторного пучка (до и после фокуса) формируется чётное число локальных субволновых областей, в которых вектор поляризации вращается, причём в соседних областях он вращается в разные стороны, то есть продольная проекция вектора спинового углового момента в соседних областях имеет разные знаки. При переходе через фокальную плоскость направление вращения вектора поляризации в каждой точке сечения пучка меняется на противоположное. Такое пространственное разделение левого и правого вращения векторов поляризации является проявлением оптического спинового эффекта Холла.
Бесплатно
Формирование близкорасположенных световых пятен на основе лазерных зеркальных пучков Эйри
Статья научная
Выполнено сравнительное численное исследование формирования в фокальной плоскости близкорасположенных световых пятен с помощью дифракционных решёток с комплексно сопряжёнными порядками и бинарных оптических элементов, согласованных с модами Эрмита-Гаусса и зеркальными пучками Эйри. Показано, что решётки позволяют формировать набор равномерных световых точек с высокой точностью, но формируемая картина быстро портится при смещении из плоскости фокуса. Пучки Эрмита-Гаусса в соответствии со своими модовыми свойствами обладают высокой устойчивостью к дефокусировке, но распределение интенсивности и размер световых точек в этом случае неравномерные. Зеркальные пучки Эйри представляют собой компромиссный вариант - они имеют более равномерную интенсивность световых пятен, чем моды Эрмита-Гаусса, и в то же время устойчивы к дефокусировке. Эксперименты с перестраиваемым лазером подтвердили упомянутые преимущества зеркальных пучков Эйри по сравнению с модами Эрмита-Гаусса, а также показали хорошую спектральную устойчивость изготовленных дифракционных оптических элементов.
Бесплатно
Формирование векторного пучка с помощью конической преломляющей поверхности
Статья научная
В данной работе для формирования азимутально-поляризованного пучка предлагается использовать рефракционный конический аксикон. Исследованы поляризационные состояния лучей при прохождении через границы раздела сред, а также преобразования поляризации с помощью аксикона с использованием собственной разработанной программы по трассированию лучей с учётом поляризации и отображения эллипсов поляризации. Описание состояния поляризации осуществлялось с использованием нотации Джонса и с учётом выполнения закона сохранения энергии. Выведены и реализованы формулы для вычисления вектора Джонса в различных лучевых базисах и базисах поверхности, а также перевода вектора Джонса из одного базиса в другой. Разработаны алгоритмы отображения эллипсов поляризации на одной плоскости для пучков, не являющихся плоскопараллельными. Рассчитан и показан ход лучей в трёхмерном аксиконе с учётом поляризации.
Бесплатно
Статья научная
Предложена дифракционная структура для формирования высокочастотных интерференционных картин затухающих электромагнитных волн в задачах фотолитографии, основанная на интерференции «объемных» мод диэлектрических фотонных кристаллов при резонансах Фабри-Перо. Для предсказания положений резонансов Фабри-Перо предложен простой подход к описанию дифракции плоской волны на фотонном кристалле из конечного числа периодов, основанный на представлении поля внутри фотонного кристалла в виде суперпозиции двух «объемных» мод фотонного кристалла, распространяющихся в противоположных направлениях. Результаты работы могут найти применение при создании новых устройств для ближнепольной интерференционной фотолитографии.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрено решение задачи преодоления дифракционного предела на основе представления оптического сигнала в виде суперпозиции коммуникационных мод, согласованных с вихревыми собственным функциям ограниченного (в пространственной и спектральной областях) непараксиального оператора распространения в свободном пространстве. Непараксиальное распространение лазерных пучков описано с помощью разложения по коническим волнам на основе преобразования Фурье-Ханкеля m -го порядка. Собственные функции такого оператора, имеющие собственные значения, близкие к единице, определяют число степеней свободы и характеристики оптического сигнала, передаваемого без искажения на заданное расстояние. На основе рассмотренного подхода разработан параметрический метод решения обратной задачи дифракции, включая преодоление дифракционного предела.
Бесплатно
Статья научная
В работе представлен новый метод измерения вырожденных спектров оптических вихрей и орбитального углового момента сингулярных пучков. Метод основан на измерении моментов интенсивности высших порядков пучка, содержащих вихри как с положительными, так и отрицательными топологическими зарядами. Соответствующий выбор амплитуд вихревых мод комбинированного пучка формирует в спектре орбитального углового момента аномальные зоны в виде резонансных провалов и всплесков. Поскольку моменты интенсивности для вихрей с положительными и отрицательными топологическими зарядами одинаковы для осесимметричного пучка, то симметрию пучка потребовалось нарушить, так что измерения проводились в плоскости двойного фокуса цилиндрической линзы. Калибровочные измерения показали, что погрешность эксперимента не выше 4,5 %. При измерении вырожденных спектров вихрей комбинированного сингулярного пучка было обнаружено, что провалы и всплески в спектре орбитального углового момента вызваны лавиной вихрей, индуцированной слабыми возмущениями голографической решётки, ответственной за формирование пучка. Возникновение провалов или всплесков орбитального углового момента регулируется соотношением между потоками энергии в лавине вихрей с положительными или отрицательными топологическими зарядами.
Бесплатно
Статья научная
Разработан способ формирования трёхмерных металлодиэлектрических фотонных кристаллов на основе изготовления полимерных структур методом интерференционной литографии c последующим нанесением нанослоя золота методом магнетронного напыления. Запись полимерной матрицы осуществлялась излучением гелий-кадмиевого лазера на длине волны 442 нм в фоторезисте SU-8. Исследованы спектры отражения полученных фотонных кристаллов в инфракрасном диапазоне. На основе данных спектрометрии сделан вывод о появлении фотонной запрещённой зоны с центром на длине волны 2,6-2,8 мкм.
Бесплатно
Формирование и фокусировка векторного оптического вихря с помощью металинзы
Статья научная
Численно с помощью FDTD-моделирования показано, что при освещении спиральной металинзы из аморфного кремния с топологическим зарядом m = 1, числовой апертурой 1 и фокусным расстоянием, равным длине волны, вблизи её поверхности формируется острый фокус в виде круглого пятна (при освещении светом с ТЕ-поляризацией) или кольца (при освещении светом с ТМ-поляризацией). Показано численно и теоретически, что при острой фокусировке лазерного света в картине распределения интенсивности в фокусе имеются локальные области (симметричные и несимметричные, в центре картины или на периферии), в которых поток световой энергии имеет обратное направление. Например, обратный поток энергии вблизи оптической оси возникает при m = 1 и левой круговой поляризации или при m = 2 и правой круговой поляризации. Обнаруженный эффект можно использовать для смещения микрочастицы в обратном направлении по отношению к направлению распространения пучка.
Бесплатно
Формирование изображений дифракционной многоуровневой линзой
Статья научная
Рассматривается формирование изображений дифракционной линзой. Проведён аналитический и численный расчёт формирования изображений при освещении дифракционной линзы излучением с различными длинами волн в параксиальной и непараксиальной волновых моделях. Рассмотрены как многоуровневые, так и квантованные дифракционные линзы. Приводятся результаты вычислительного и натурного экспериментов.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрено формирование интерференционных картин поверхностных электромагнитных волн с помощью диэлектрической дифракционной решетки с металлическим слоем. Моделирование в рамках электромагнитной теории показывает возможность получения контрастных интерференционных картин с периодом в несколько раз меньшим периода дифракционной решетки. При этом интенсивность поля в интерференционных максимумах в десятки раз превышает интенсивность падающей волны. Рассмотрены способы управления периодом интерференционной картины за счет изменения длины волны и угла падения.
Бесплатно
