Дифракционная оптика, оптические технологии. Рубрика в журнале - Компьютерная оптика
Статья научная
Работа посвящена численному исследованию поверхностного плазмонного резонанса в изогнутом одномодовом волоконном световоде с металлизированной оболочкой. Показано, что при оптимальном сочетании радиуса изгиба и толщины металлической пленки плазмон-поляритонные волны могут возбуждаться за счет связи между фундаментальной и плазмонной модами через посредство оболочечных мод шепчущей галереи. Данный эффект приводит к формированию резонансного провала в спектре пропускания световода на длине волны, сильно зависящей от показателя преломления внешней среды. Это открывает возможность построения волоконно-оптического плазмон-поляритонного рефрактометра на одномодовом световоде, не нарушая его структурной целостности и не используя дополнительных волноводных элементов. Продемонстрирована возможность рефрактометрических измерений с чувствительностью ~12 мкм на единицу показателя преломления.
Бесплатно
Численное моделирование вихревых структур в высокочастотном электромагнитном поле
Статья научная
Проведено численное моделирование нестационарных вихревых плазменно-газодинамических структур, формирующихся в закрученном потоке в открытой трубке под действием высокочастотного электромагнитного поля. Показано, что при совпадении частоты внешнего поля с собственной частотой резонатора происходит резкий скачок флуктуаций газодинамических полей, индуцирующий изменения структуры разряда.
Бесплатно
Статья научная
В работе предлагается математическая модель на основе векторного метода конечных элементов для исследования распределения электромагнитного поля в ближней зоне пары сферических наночастиц. Данная модель позволила разработать алгоритмы и соответствующее программное обеспечение. Была проведена верификация, показавшая, что расхождение результатов исследования предлагаемой математической модели и имеющихся данных расчётов по аналитическим формулам согласно теории Ми (G. Mie) для однородных сферических наночастиц не превышает 10 %. С помощью созданного программного обеспечения проведён вычислительный эксперимент с целью определения расположения пары металлических наночастиц, при котором интенсивность электромагнитного поля в ближней зоне будет достигать наибольшего значения. Достоинством предлагаемой математической модели и методики её применения является использование в качестве конечных элементов тетраэдров, позволяющих с достаточной для практических целей точностью аппроксимировать неоднородную структуру наноматериала. Кроме того, обеспечивается непрерывность во всей расчётной области тангенциальной компоненты электромагнитного поля.
Бесплатно
Статья научная
Разработаны алгоритмы численного решения задачи идентификации веществ и восстановления их концентраций по инфракрасным спектрам среднего разрешения в области 7-14 мкм, полученным на ИК фурье-спектрорадиометре. Алгоритмы позволяют идентифицировать вещества по единичному спектру открытой атмосферной трассы. Вместо рассмотрения многомерной системы линейных уравнений предлагается решать одну или несколько одномерных задач. Переход к одномерной задаче осуществляется методами корреляционного анализа. Исследовано влияние шумов в исходном спектре на ошибки решения задачи определения концентраций.
Бесплатно
Численный анализ субволновой фокусировки с помощью кремниевого цилиндра
Статья научная
Произведён анализ влияния изменения размера кремниевого цилиндра с субволновым радиусом на картину дифракции Гауссовых пучков с круговой поляризацией на основе применения метода конечных разностей во временной области. Численно показано, что Гауссов пучок можно сфокусировать вблизи поверхности элемента в световое пятно, размер которого по полуспаду интенсивности равен 0,25λ. В работе демонстрируется, что кремниевый цилиндр, освещённый лазерным пучком с вихревой фазовой сингулярностью первого порядка, формирует световое пятно, центральная часть которого в основном сформирована продольной компонентой электрического поля (размер по полуспаду интенсивности равен 0,29λ).
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается влияние эффекта нелокальности на оптические характеристики ближнего поля резонатора плазмонного нанолазера. На основе метода дискретных источников строится компьютерная модель, позволяющая проводить анализ характеристик ближнего поля слоистой наночастицы, располагающейся на прозрачной подложке в активной среде. При этом учет нелокальности плазмонного металла осуществляется в рамках модели обобщенного нелокального отклика. Исследуется возбуждение частицы как распространяющейся, так и неизлучающей волной. Установлены «оптимальные» направления внешнего возбуждения. Оказалось, что возбуждение неизлучающей волной ведет к большей интенсивности ближнего поля. Показано, что учет эффекта нелокальности в плазмонном металле существенно снижает коэффициент усиления поля.
Бесплатно
Статья научная
Проанализировано качество обращения волнового фронта при шестиволновом взаимодействии в двумерных многомодовых волноводах с керровской нелинейностью при условии, что одна из волн накачки возбуждает нулевую моду волновода, а распределение амплитуды другой волны накачки на грани волновода меняется по гауссову закону. Показано, что в волноводе с бесконечно проводящими стенками полуширина модуля функции размытия точки шестиволнового преобразователя излучения полностью определяется поперечными размерами волновода, слабо зависит от ширины гауссовой волны накачки. В волноводе с параболическим профилем показателя преломления уменьшение ширины гауссовой волны накачки на гранях волновода приводит, как правило, к монотонному уменьшению полуширины модуля функции размытия точки.
Бесплатно
Статья научная
Исследована пространственная селективность шестиволновых преобразователей излучения, осуществляющих удвоенное обращение волнового фронта сигнальной волны в длинных многомодовых волноводах как с керровской, так и тепловой нелинейностями. В качестве волноводов использовались волноводы с бесконечно проводящими поверхностями, с параболическим изменением показателя преломления. Показано, что пространственная структура первой волны накачки не влияет на качество удвоенного обращения волнового фронта в волноводе с керровской нелинейностью, слабо влияет на качество удвоенного обращения волнового фронта в волноводе с тепловой нелинейностью. Уменьшение на задней грани волновода радиуса второй гауссовой волны накачки приводит к улучшению качества удвоенного обращения волнового фронта как при шестиволновом взаимодействии на керровской, так и на тепловой нелинейностях. В параболическом волноводе при возбуждении волнами накачки нулевой моды волновода и неизменной частоте первой волны накачки увеличение частоты второй волны накачки улучшает качество удвоенного обращения волнового фронта.
Бесплатно
Статья научная
Исследована пространственная селективность шестиволнового преобразователя излучения w1 + w1 + w2 - w1 - w1 = w2 на тепловой нелинейности с учетом нелинейного коэффициента поглощения. Проанализированы зависимости полуширин полос пространственных частот как объектных волн, связанных непосредственно с тепловой нелинейностью, так и объектных волн, связанных с наличием тепловой нелинейности, и с нелинейным характером изменения коэффициента поглощения от расходимости сигнальной волны, толщины нелинейной среды, интенсивности волны накачки. Показано, что при большой расходимости сигнальной волны полуширины полос пространственных частот объектных волн с удвоенным обращенным волновым фронтом отличаются в несколько раз.
Бесплатно
Шестиволновой преобразователь излучения на резонансной нелинейности в параболическом волноводе
Статья научная
C использованием метода функции размытия точки проанализировано качество обращения волнового фронта при шестиволновом взаимодействии в двумерном волноводе с резонансной нелинейностью, показатель преломления которого меняется по параболическому закону. При условии, что одна из волн накачки возбуждает нулевую моду волновода, а распределение амплитуды другой волны накачки на грани волновода меняется по гауссову закону, показано, что при малой интенсивности одномодовой волны накачки уменьшение ширины гауссовой волны накачки либо приводит к улучшению, либо слабо влияет на качество обращения волнового фронта. При большой интенсивности одномодовой волны накачки уменьшение ширины гауссовой волны накачки ухудшает качество обращения волнового фронта. Определен диапазон изменения ширины гауссовой волны накачки, в пределах которого наблюдается наибольшее изменение амплитуды волны с обращенным волновым фронтом. Показано наличие порогового значения ширины гауссовой волны накачки, при которой изменение интенсивности одномодовой волны накачки не влияет на качество обращения волнового фронта.
Бесплатно
Эволюция оптического вихря с начальным дробным топологическим зарядом
Статья
В ряде теоретических и экспериментальных работ было показано, что для оптического вихря с начальным дробным топологическим зарядом его топологический заряд равен целому числу с недостатком, если дробная часть меньше 0,5 и целому числу с избытком, если дробная часть больше 0,5. В этой работе с помощью численного моделирования мы показали, что топологический заряд начального дробного оптического вихря равен целому числу с недостатком, если дробная часть меньше 0,12, и целому числу с избытком, если дробная часть больше 0,12. Дело в том, что дополнительный центр сингулярности формируется на периферии пучка, где интенсивность почти равна нулю (примерно миллионная часть от максимума), и экспериментально его нельзя обнаружить, а численно можно.
Бесплатно
Экситонная оптическая нелинейность диэлектрических нанокомпозитов в слабых оптических полях
Статья научная
В статье представлена модель оптической нелинейности в диэлектрических нанокомпозитах в диапазоне длин волн от 200 до 800 нм и интенсивности до 1000 Вт / см2. Представлены результаты численного моделирования оптического отклика в нанокомпозите, состоящем из диэлектрических наночастиц Al2O3 малой объемной концентрации (порядка 0,3 %), внедренных в прозрачную диэлектрическую жидкую матрицу. Установлено, что при равной объемной концентрации величина нелинейного отклика единицы объема возрастает с уменьшением размера наночастиц. Показано влияние на спектр нелинейной добавки к показателю преломления различных параметров, таких как размер и анизотропия наночастиц. Отмечается, что для наночастиц Al2O3 размером 45 нм при объемной концентрации 0,3 % величина нелинейного оптического отклика достигает значений 1,5·10-4 см2 / Вт вблизи резонансной полосы поглощения.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрена дифракция лазерного излучения с различной поляризацией на высокоапертурных бинарных аксиконах с различной структурой. Проведён теоретический анализ дифракции на аксиконе с использованием разложения по плоским волнам, и показано, что в зависимости от поляризации на оптической оси концентрируется либо продольная, либо поперечная компоненты электрического поля. Аналитически и численно показано, что внесение асимметрии в структуру аксикона позволяет формировать на оптической оси продольную компоненту для линейной и круговой поляризации освещающего пучка. Высокоапертурные бинарные аксиконы трёх конфигураций: осесимметричный, биаксикон и спиральный – изготовлены на основе технологии электронной литографии. Проведены экспериментальные измерения в ближней зоне дифракции для наиболее распространённых и легко реализуемых типов поляризации освещающего пучка – линейной и круговой. Экспериментальные результаты показали согласование с теоретическими исследованиями.
Бесплатно
Статья научная
В работе предложена методика экспериментальной проверки механизма массопереноса в слое жидкой фотополимеризующейся композиции (ЖФПК), основанная на измерении спектра поглощения плёнки ЖФПК на различных участках поверхности с помощью инфракрасной-Фурье (ИК-Фурье) микроскопии. В результате пространственной модуляции степени конверсии полимера в слое ЖФПК инициируется диффузионный процесс, приводящий к массопереносу и образованию рельефа на поверхности образца. Показана возможность определения с помощью ИК-Фурье спектроскопии пространственной конверсии полимера в слое ЖФПК.
Бесплатно
Статья научная
Рассчитан, изготовлен и экспериментально исследован бинарный радиально-симметричный дифракционный оптический элемент (ДОЭ), формирующий световое распределение типа «световая бутылка». Экспериментально реализован оптический захват микрочастиц на основе использования созданного элемента. Показано, что сформированная ловушка может захватывать как прозрачные, так и непрозрачные микрообъекты и удерживать их с силой, достаточной для перемещения в вязкой среде.
Бесплатно
Статья научная
Экспериментально определена средняя линейная скорость вращения в воде полистироловых микрошариков диаметром 5 мкм в вихревых лазерных пучках. Показано, что при увеличении орбитального углового момента (ОУМ) пучка в 10 раз (с 3 до 30), радиус кольца вихревого пучка увеличивается в три раза, а скорость движения микрочастиц увеличивается только в два раза. Аналогичные эксперименты проведены также для пучков Бесселя разных порядков.
Бесплатно
Статья научная
Апробирован метод исследования двулучепреломления механически свободных градиентных параболических линз на основе астигматического преобразования пучка Бесселя 0-го порядка. Отмечены особенности юстировки оптической схемы и приведены практические рекомендации по выбору её элементов. На примере четвертьволновой линзы экспериментально показана возможность надёжного измерения оптической разности хода не хуже 0,05λ0. Подтверждено существенное отличие двулучепреломления градиентных оптических линз в центральной и краевой областях.
Бесплатно
Экспериментальное исследование деполяризации лазерного излучения элементами волоконной оптики
Статья научная
В настоящее время в волоконно-оптических датчиках поляризационного типа оптическое волокно используется как в качестве чувствительного элемента, так и в качестве волоконно-оптических линий передач. В таких датчиках существует необходимость согласования осей поляризации источника оптического излучения и чувствительного элемента. Однако элементы волоконно-оптических линий передач, расположенные между источником оптического излучения и чувствительным элементом, вносят собственные поляризационные искажения из-за анизотропии оптических свойств волокна, возникающей в результате изгибных деформаций и носящей случайный характер. Это приводит к снижению точности и повторяемости измерений поляризационного датчика. Предлагаемый метод «деполяризации» излучения источника оптического излучения состоит в преобразовании его поляризации в круговую путём размещения между источником оптического излучения и чувствительным элементом катушки с оптическим волокном с определёнными параметрами: диаметром катушки, числом витков и углом поворота катушки относительно плоскости поляризации источника оптического излучения. Данный метод позволяет исключить из оптического тракта дорогостоящие оптические элементы (например, четвертьволновые пластины) и упростить конструкцию датчика/измерительного прибора. В ходе экспериментальных исследований было установлено, что таким образом можно уменьшить поляризационные искажения с исходных 17 дБ до 0,14 дБ.
Бесплатно
Статья научная
Компенсировать уширение центрального светового пятна, которое неизбежно возникает при линейной поляризации пучка, освещающего высокоапертурный осесимметричный аксикон, можно внесением асимметрии в структуру аксикона. В работе с помощью ближнепольного микроскопа проведено экспериментальное исследование дифракции Гауссова пучка на трёх типах бинарных микроаксиконов с периодом, близким к длине волны. Дифракционные оптические элементы с периодом 500 нм и различной высотой микрорельефа были изготовлены методом электронно-лучевой литографии. Экспериментально подтверждено, что микроаксиконы с асимметричной конфигурацией позволяют уменьшить уширение центрального светового пятна. Также показано, что в ближней зоне дифракции обеспечивается преодоление дифракционного предела вдоль одного направления (вплоть до 0,32 по полуспаду от максимума интенсивности).
Бесплатно
Статья научная
Представлены результаты экспериментальных исследований «спектральных» дифракционных линз, имеющих фокус одинакового положения для нескольких заданных длин волн. Рассмотрены две спектральные дифракционные линзы, предназначенные для работы с излучением трёх и пяти заданных длин волн видимого диапазона. Для изготовления спектральных линз использовался метод прямой лазерной записи по фоторезисту с итеративной коррекцией параметров записи, что обеспечило погрешность формирования высоты дифракционного микрорельефа менее 30 нм. Представлен эксперимент по определению длин волн, фокусируемых изготовленными линзами. Эксперимент основан на использовании точечной диафрагмы, расположенной в фокусе спектральных линз. Получены оценки функций рассеяния точки изготовленных спектральных линз с помощью перестраиваемого лазера. Для иллюстрации изображающих свойств спектральных линз получены изображения светотехнической цветной таблицы.
Бесплатно
