Научные статьи \ Прикладные науки. Медицина. Технология \ Инженерное дело. Техника в целом \ Общее машиностроение. Ядерная технология. Электротехника. Технология машиностроения \ Электротехника

Сравнение фокусировки коротких импульсов в приближении Дебая

Сравнение фокусировки коротких импульсов в приближении Дебая

Автор: Хонина Светлана Николаевна, Устинов Андрей Владимирович, Волотовский Сергей Геннадьевич

Журнал: Компьютерная оптика @computer-optics

Рубрика: Дифракционная оптика, оптические технологии

Статья в выпуске: 3 т.42, 2018 года.

Бесплатный доступ

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.

Еще

Короткие импульсы, частотный спектр, фокусировка импульсов, острая фокусировка, апланатический объектив, приближение дебая

Короткий адрес: https://sciup.org/140228747

IDR: 140228747   |   DOI: 10.18287/2412-6179-2018-42-3-432-446

Comparison of focusing of short pulses in the Debye approximation

We have examined different types of pulses and features of their frequency spectra. Calculations have shown that a significant distinction between the pulses only takes place at a very short pulse duration (shorter than the oscillation period). In this case, the Gaussian pulse becomes nonphysical and one needs to use other types of pulses, for example, the Poisson pulse. We performed comparative modeling of focusing of short pulses by an aplanatic lens for different polarization states and vortex singularity orders in the Debye approximation. We have shown that the polarization state and the presence of vortex phase singularity essentially affect the distribution in the focal area for a subcycle Poisson pulse.

Еще

Список литературы Сравнение фокусировки коротких импульсов в приближении Дебая

  • Wright, L.G. Controllable spatiotemporal nonlinear effects in multimode fibres/L.G. Wright, D.N. Christodoulides, F.W. Wise//Nature Photonics. -2015. -Vol. 9. -P. 306-310. - DOI: 10.1038/nphoton.2015.61
  • Liu, W. 70-fs mode-locked erbium-doped fiber laser with topological insulator/W. Liu, L. Pang, H. Han, W. Tian, H. Chen, M. Lei, P. Yan, Z. Wei//Scientific Reports. -2016. -Vol. 6. -19997. - DOI: 10.1038/srep19997
  • Danson, C. Petawatt class lasers worldwide/C. Danson, D. Hillier, N. Hopps, D. Neely//High Power Laser Science and Engineering. -2015. -Vol. 3. -E3. - DOI: 10.1017/hpl.2014.52
  • Бевзенко, И.Г. Исследование поведения сверхкоротких импульсов в многопроводных структурах с неоднородным диэлектрическим заполнением/И.Г. Бевзенко//Научно-технические ведомости СПбГПУ. Информатика. Телекоммуникации. Управление. -2016. -Т. 252, № 4. -С. 7-18. - DOI: 10.5862/JCSTCS.252.1
  • April, A. Ultrashort, strongly focused laser pulses in free space/A. April. -In book: Coherence and ultrashort pulse laser emission/ed. by F.J. Duarte. -Chapter 16. -InTech, 2010. -P. 355-382. -ISBN: 978-953-307-242-5.
  • Wong, L.J. Improved beam waist formula for ultrashort, tightly-focused linearly, radially, and azimuthally polarized laser pulses in free space/L.J. Wong, F.X. Kärtner, S.G. Johnson//Optics Letters. -2014. -Vol. 39, Issue 5. -P. 1258-1261. - DOI: 10.1364/OL.39.001258
  • Li, X. Fields of an ultrashort tightly focused laser pulse/X. Li, Y.I. Salamin, K.Z. Hatsagortsyan, C.H. Keitel//Journal of the Optical Society of America B. -2016. -Vol. 33, Issue 3. -P. 405-411. - DOI: 10.1364/JOSAB.33.000405
  • Feng, S. Spatiotemporal structure of isodiffracting ultrashort electromagnetic pulses/S. Feng, H.G. Winful//Physical Review E. -2000. -Vol. 61, Issue 1. -P. 862-873. - DOI: 10.1103/PhysRevE.61.862
  • Porras, M.A. Nonsinusoidal few-cycle pulsed light beams in free space/M.A. Porras//Journal of the Optical Society of America B. -1999. -Vol. 16, Issue 9. -P. 1468-1474. - DOI: 10.1364/JOSAB.16.001468
  • Khonina, S.N. Ultrafast rotating dipole or propeller-shaped patterns: subwavelength shaping of a beam of light on a femtosecond time scale/S.N. Khonina, I. Golub//Optics Letters. -2016. -Vol. 41, Issue 7. -P. 1605-1607. - DOI: 10.1364/OL.41.001605
  • Khonina, S.N. Time behavior of focused vector beams/S.N. Khonina, I. Golub//Journal of the Optical Society of America A. -2016. -Vol. 33, Issue 10. -P. 1948-1954. - DOI: 10.1364/JOSAA.33.001948
  • Venkatakrishnanetal, T. Interconnect microvia drilling with a radially polarized laser beam/T. Venkatakrishnanetal, B. Tan//Journal of Micromechanics and Microengineering. -2006. -Vol. 16(12). -2603. - DOI: 10.1088/0960-1317/16/12/013
  • Omatsu, T. Metal microneedle fabrication using twisted light with spin/T. Omatsu, K. Chujo, K. Miyamoto, M. Okida, K. Nakamura, N. Aoki, R. Morita//Optics Express. -2010. -Vol. 18, Issue 17. -P. 17967-17973. - DOI: 10.1364/OE.18.017967
  • Hnatovsky, C. Materials processing with a tightly focused femtosecond laser vortex pulse/C. Hnatovsky, V.G. Shvedov, W. Krolikowski, A.V. Rode//Optics Letters. -2010. -Vol. 35, Issue 20. -P. 3417-3419. - DOI: 10.1364/OL.35.003417
  • Cheng, J. A review of ultrafast laser materials micromachining/J. Cheng, C. Liu, S. Shang, D. Liu, W. Perrie, G. Dearden, K. Watkins//Optics and Laser Technology. -2013. -Vol. 46. -P. 88-102. - DOI: 10.1016/j.optlastec.2012.06.037
  • Заярный, Д.А. Наномасштабные процессы кипения при одноимпульсной фемтосекундной лазерной абляции золотых плёнок/Д.А. Заярный, А.А. Ионин, С.И. Кудряшов, С.В. Макаров, А.А. Руденко, С.Г. Бежанов, С.А. Урюпин, А.П. Канавин, В.И. Емельянов, С.В. Алферов, С.Н. Хонина, С.В. Карпеев, А.А. Кучмижак, О.Б. Витрик, Ю.Н. Кульчин//Письма в ЖЭТФ. -2015. -Т. 101, Вып. 6. -C. 428-432. - DOI: 10.7868/S0370274X15060077
  • Syubaev, S. Direct laser printing of chiral plasmonic nanojets by vortex beams/S. Syubaev, A. Zhizhchenko, A. Kuchmizhak, A. Porfirev, E. Pustovalov, O. Vitrik, Yu. Kulchin, S. Khonina, S. Kudryashov//Optics Express. -2017. -Vol. 25, Issue 9. -P. 10214-10223. - DOI: 10.1364/OE.25.010214
  • Saito, Y. z-Polarization sensitive detection in micro-Raman spectroscopy by radially polarized incident light/Y. Saito, M. Kobayashi, D. Hiraga, K. Fujita, S. Kawano, N.I. Smith, Y. Inouye, S. Kawata//Journal of Raman Spectroscopy. -2008. -Vol. 39, Issue 11. -P. 1643-1648. - DOI: 10.1002/jrs.1953
  • Chen, Y.-H. Direct measurement of the electron density of extended femtosecond laser pulse-induced filaments/Y.-H. Chen, S. Varma, T.M. Antonsen, H.M. Milchberg//Physical Review Letters. -2010. -Vol. 105. -215005. - DOI: 10.1103/PhysRevLett.105.215005
  • Belgiorno, F. Hawking radiation from ultrashort laser pulse filaments/F. Belgiorno, S.L. Cacciatori, M. Clerici, V. Gorini, G. Ortenzi, L. Rizzi, E. Rubino, V.G. Sala, D. Faccio//Physical Review Letters. -2010. -Vol. 105. -203901. - DOI: 10.1103/PhysRevLett.105.203901
  • Okamuro, K. Laser fluence dependence of periodic grating structures formed on metal surfaces under femtosecond laser pulse irradiation/K. Okamuro, M. Hashida, Y. Miyasaka, Y. Ikuta, Sh. Tokita, Sh. Sakabe//Physical Review B. -2010. -Vol. 82, Issue 16. -165417. - DOI: 10.1103/PhysRevB.82.165417
  • Zimmermann, F. Ultrashort laser pulse induced nanogratings in borosilicate glass/F. Zimmermann, A. Plech, S. Richter,//Applied Physics Letters. -2014. -Vol. 104, Issue 21. -211107. - DOI: 10.1063/1.4880658
  • Kuchmizhak, A. On-fly femtosecond-laser fabrication of self-organized plasmonic nanotextures for chemo-and biosensing applications/A. Kuchmizhak, E. Pustovalov, S. Syubaev, O. Vitrik, Y. Kulchin, A. Porfirev, S. Khonina, S.I. Kudryashov, P. Danilov, A. Ionin//ACS Applied Materials and Interfaces. -2016. -Vol. 8, Issue 37. -P. 24946-24955. - DOI: 10.1021/acsami.6b07740
  • Kuchmizhak, A.A. Multi-beam pulsed-laser patterning of plasmonic films using broadband diffractive optical elements/A.A. Kuchmizhak, A.P. Porfirev, S.A. Syubaev, P.A. Danilov, A.A. Ionin, O.B. Vitrik, Yu.N. Kulchin, S.N. Khonina, S.I. Kudryashov//Optics Letters. -2017. -Vol. 42, Issue 14. -P. 2838-2841. - DOI: 10.1364/OL.42.002838
  • Syubaev, S. Zero-orbital-angular-momentum laser printing of chiral nanoneedles/S. Syubaev, A. Porfirev, A. Zhizhchenko, O. Vitrik, S. Kudryashov, S. Fomchenkov, S. Khonina, A. Kuchmizhak//Optics Letters. -2017. -Vol. 42, Issue 23. -P. 5022-5025. - DOI: 10.1364/OL.42.005022
  • Agate, B. Femtosecond optical tweezers for in-situ control of two-photon fluorescence/B. Agate, C.T.A. Brown, W. Sibbett, K. Dholakia//Optics Express. -2004. -Vol. 12, Issue 13. -P. 3011-3017. - DOI: 10.1364/OPEX.12.003011
  • Wang, L.-G. Dynamic radiation force of a pulsed Gaussian beam acting on a Rayleigh dielectric sphere/L.-G. Wang, C.-L. Zhao//Optics Express. -2007. -Vol. 15, Issue 17. -P. 10615-10621. - DOI: 10.1364/OE.15.010615
  • Caron, C.F.R. Free-space propagation of ultrashort pulses: space-time couplings in Gaussian pulse beams/C.F.R. Caron, R.M. Potvliege//Journal of Modern Optics. -1999. -Vol. 46, Issue 13. -P. 1881-1891. - DOI: 10.1080/09500349908231378
  • April, A. Tightly focused, ultrafast TM01 laser pulses/A. April//Proceedings of SPIE. -2009. -Vol. 7386. -73862X. - DOI: 10.1117/12.838383
  • Ziolkowski, R.W. Localized transmission of electromagnetic energy/R.W. Ziolkowski//Physical Review A. -1989. -Vol. 39. -P. 2005-2033. - DOI: 10.1103/PhysRevA.39.2005
  • Cai, X.-M. Electron acceleration by subcycle pulsed focused vector beams/X.-M. Cai, J.-Y. Zhao, Q. Lin, J.-L. Luo//Journal of the Optical Society of America B. -2016. -Vol. 33, Issue 2. -P. 158-164. - DOI: 10.1364/JOSAB.33.000158
  • Richards, B. Electromagnetic diffraction in optical systems. II. Structure of the image field in an aplanatic system/B. Richards, E. Wolf//Proceedings of the Royal Society A. -1959. -Vol. 253, Issue 1274. -P. 358-379. - DOI: 10.1098/rspa.1959.0200
  • Miloševic, D.B. Above-threshold ionization by few-cycle pulses/D.B. Miloševic, G.G. Paulus, D. Bauer, W. Becker/Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics. -2006. -Vol. 39(14). -P. R203-R262. - DOI: 10.1088/0953-4075/39/14/R01
  • Фемтосекундная оптика: Учебно-методическое пособие/Д.А. Яшунин, Ю.А. Мальков, С.Б. Бодров. -Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2014. -40 с.
  • Khonina, S.N. Simple phase optical elements for narrowing of a focal spot in high-numerical-aperture conditions/S.N. Khonina//Optical Engineering. -2013. -Vol. 52, Issue 9. -091711. - DOI: 10.1117/1.OE.52.9.091711
  • Feng, S. Gouy shift and temporal reshaping of focused single-cycle electromagnetic pulses/S. Feng, H.G. Winful, R.W. Hellwarth//Optics Letters. -1998. -Vol. 23, Issue 5. -P. 385-387. - DOI: 10.1364/OL.23.000385
  • Dorn, R. Sharper focus for a radially polarized light beam/R. Dorn, S. Quabis, G. Leuchs//Physical Review Letters. -2003. -Vol. 91, Issue 23. -233901. - DOI: 10.1103/PhysRevLett.91.233901
  • Khonina, S.N. Enlightening darkness to diffraction limit and beyond: comparison and optimization of different polarizations for dark spot generation/S.N. Khonina, I. Golub//Journal of the Optical Society of America A. -2012. -Vol. 29, Issue 7. -P. 1470-1474. - DOI: 10.1364/JOSAA.29.001470
  • Huse, N. Z-polarized confocal microscopy/N. Huse, A. Schönle, S.W. Hell//Journal of Biomedical Optics. -2001. -Vol. 6, Issue 3. -P. 273-276. - DOI: 10.1117/1.1382610
  • Pereira, S.F. Superresolution by means of polarisation, phase and amplitude pupil masks/S.F. Pereira, A.S. van de Nes//Optics Communications. -2004. -Vol. 234, Issues 1-6. -P. 119-124. - DOI: 10.1016/j.optcom.2004.02.020
  • Khonina, S.N. Optimization of focusing of linearly polarized light/S.N. Khonina, I. Golub//Optics Letters. -2011. -Vol. 36, Issue 3. -P. 352-354. - DOI: 10.1364/OL.36.000352
  • Saari, P. Pulsed Bessel beams/P. Saari, H. Sonajalg//Laser Physics. -1997. -Vol. 7, No. 1. -P. 32-39.
  • Sheppard, C.J.R. Bessel pulse beams and focus wave modes/C.J.R. Sheppard//Journal of the Optical Society of America A. -2001. -Vol. 18, Issue 10. -P. 2594-2600. - DOI: 10.1364/JOSAA.18.002594
  • Khonina, S.N. Experimental demonstration of the generation of the longitudinal E-field component on the optical axis with high-numerical-aperture binary axicons illuminated by linearly and circularly polarized beams/S.N. Khonina, S.V. Karpeev, S.V. Alferov, D.A. Savelyev, J. Laukkanen, J. Turunen//Journal of Optics. -2013. -Vol. 15, Issue 8. -085704. - DOI: 10.1088/2040-8978/15/8/085704
  • Khonina, S.N. Narrowing of a light spot at diffraction of linearly-polarized beam on binary asymmetric axicons/S.N. Khonina, D.V. Nesterenko, A.A. Morozov, R.V. Skidanov, V.A. Soifer//Optical Memory and Neural Networks (Information Optics). -2012. -Vol. 21, Issue 1. -P. 17-26. - DOI: 10.3103/S1060992X12010043
  • Khonina, S.N. Vortex phase transmission function as a factor to reduce the focal spot of high-aperture focusing system/S.N. Khonina, N.L. Kazanskiy, S.G. Volotovsky//Journal of Modern Optics. -2011. -Vol. 58, Issue 9. -P. 748-760. - DOI: 10.1080/09500340.2011.568710
  • Khonina, S.N. Tighter focus for ultrashort pulse vector light beams: Change of the relative contribution of different field components to the focal spot upon pulse shortening/S.N. Khonina, I. Golub//Journal of the Optical Society of America A. -2018. -Vol. 35, Issue 6. -P. 985-991. - DOI: 10.1364/JOSAA.35.000985
Еще
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp