Анализ интерференции радиально-поляризованных лазерных пучков, сформированных кольцевыми оптическими элементами с вихревой фазой в условиях острой фокусировки
Хонина С.Н., Устинов А.В.
Институт систем обработки изображений РАН,
Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва
(национальный исследовательский университет) (СГАУ)

 

DOI: 10.18287/0134-2452-2015-39-1-12-25

Аннотация:
Выполнен теоретический анализ острой фокусировки радиально-поляризованных пучков при наличии в выходном зрачке фокусирующей системы кольцевых апертур и оптического элемента с вихревой фазой. Получены аналитические выражения для поля в фокальной области одной и двух кольцевых апертур. Также выписаны асимптотические выражения для фокального поля вблизи и на некотором удалении от оптической оси. Показано, что для одной узкой кольцевой апертуры с вихревой фазой фокальное распределение пропорционально суперпозиции функций Бесселя различного порядка. При этом поле обладает осевой симметрией и не зависит от продольной координаты. При использовании двух узких кольцевых апертур в выходном зрачке острофокусирующей системы в фокальной области формируется интерференционная картина для двух векторных пучков Бесселевого типа. В случае одинаковой вихревой фазы в обоих кольцах поле в фокальной области остаётся осесимметричным, но появляется периодическая зависимость от продольной координаты. Если в каждом из колец имеются вихревые фазы различного порядка, то получается интерференция более сложного типа, которая приводит к формированию поступательно-вращающихся пучков.

Ключевые слова :
острая фокусировка, радиальная поляризация, кольцевая апертура, вихревая фаза, интерференция, трёхмерное распределение интенсивности.

Литература:

  1. Dienerowitz, M. Optical manipulation of nanoparticles: a review / M. Dienerowitz, M. Mazilu, and K. Dholakia // Journal of Nanophotonics. - 2008. - Vol. 2 - P. 021875.
  2. Dorn, R. Sharper focus for a radially polarized light beam / R. Dorn, S. Quabis and G. Leuchs // Physical Review Letters. - 2003. - Vol. 91. - P. 233901.
  3. Davidson, N. High-numerical aperture focusing of radially polarized doughnut beams with a parabolic mirror and a flat diffractive lens / N. Davidson and N. Bokor // Optics Letters. - 2004. - Vol. 29. - P. 1318-1320.
  4. Kalosha, V.P. Toward the subdiffraction focusing limit of optical superresolution / V.P. Kalosha and I. Golub // Optics Letters. - 2007. - Vol. 32. - P. 3540-3542.
  5. Kozawa, Y. Sharper focal spot formed by higher-order radially polarized laser beams / Y. Kozawa and S. Sato // Journal of Optical Society of America A. - 2007. - Vol. 24. - P. 1793.
  6. Khonina, S.N. Sharper focal spot for a radially polarized beam using ring aperture with phase jump / S.N. Khonina and A.V. Ustinov // Journal of Engineering. - 2013. - ID 512971.
  7. Хонина, С.Н. Исследование применения аксиконов в высокоапертурной фокусирующей системе / С.Н. Хони­на, С.Г. Волотовский // Компьютерная Оптика. - 2010. - Т. 34, № 1. - С. 35-51.
  8. Khonina, S.N. Reduction of the focal spot size in high-aperture focusing systems at inserting of aberrations / S.N. Khonina and E.A. Pelevina // Optical Memory and Neural Networks (Information Optics), Allerton Press. - 2011. - Vol. 20(3). - P. 155-167.
  9. 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. - P. 091711.
  10. Hell, S. Fundamental improvement of resolution with a 4Pi-confocal fluorescence microscope using two-photon excitation / S. Hell and E.H.K. Stelzer // Optics Communications. - 1992. - Vol. 93. - P. 277-282.
  11. Bokor, N. Toward a spherical spot distribution with 4p focusing of radially polarized light / N.  Bokor, N. Davidson // Optics Letters. - 2004. - Vol. 29, Issue 17. - P. 1968-1970.
  12. Sandeau, N. Arrangement of a 4Pi microscope for reducing the confocal detection volume with two-photon excitation / N. Sandeau, H. Giovannini // Optics Communications. - 2006. - Vol. 264. - P. 123-129.
  13. Bokor, N. A three dimensional dark focal spot uniformly surrounded by light / N. Bokor, N. Davidson // Optics Communications. - 2007. - Vol. 279. - P. 229-234.
  14. Chen, Z. 4pi focusing of spatially modulated radially polarized vortex beams / Z. Chen, D. Zhao // Optics Letters. - 2012. - Vol. 37, Issue 8. - P. 1286-1288.
  15. Khonina, S.N. Shaping of spherical light intensity based on the interference of tightly focused beams with different polarizations / S.N. Khonina, A.V. Ustinov, S.G. Volotovsky // Optics & Laser Technology. - 2014. - Vol. 60. - P. 99-106.
  16. Хонина, С.Н. Исследование встречной интерференции остросфокусированных пучков с различной поляризацией / С.Н. Хонина, Н.С. Фидирко // Известия Самарского научного центра РАН. - 2014. - Т. 16, № 4. - С. 27-33.
  17. Chen, W. Three-dimensional focus shaping with cylindrical vector beams / W. Chen, Q. Zhan / Optics Communications. - 2006. - Vol. 265. - P. 411-417.
  18. Jabbour, T.G. Vector diffraction analysis of high numerical aperture focused beams modified by two- and three-zone annular multi-phase plates / T.G. Jabbour, S.M. Kuebler // Optics Express. - 2006. - Vol. 14, Issue 3. - P. 1033-1043.
  19. Gao, X. Focusing properties of concentric piecewise cylindrical vector beam / X. Gao, J. Wang, H. Gu, W. Xu // Optik. - 2007. - Vol. 118. - P. 257-265.
  20. Khonina, S.N. Controlling the contribution of the electric ?eld components to the focus of a high-aperture lens using binary phase structures / S.N. Khonina, S.G. Volotovsky // Journal of the Optical Society of America A. - 2010. - Vol. 27(10). - P. 2188-2197.
  21. 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.
  22. Khonina, S.N. Influence of vortex transmission phase function on intensity distribution in the focal area of high-aperture focusing system / S.N. Khonina, N.L. Kazanskiy and S.G. Volotovsky // Optical Memory and Neural Networks (Information Optics). - 2011. - Vol. 20, Issue 1. - P. 23-42.
  23. Zhan, Q. Cylindrical vector beams: from mathematical concepts to applications / Qiwen Zhan // Advances in Optics and Photonics. - 2009. - Vol. 1. - P. 1457.
  24. Хонина, С.Н. Формирование тонкой световой трубки при острой фокусировке азимутально-поляризованного излучения / С.Н. Хонина, А.В. Устинов // Известия Самарского научного центра РАН. - 2012. - Т. 14, № 6. - P. 279-284.
  25. Bouchal, Z. Non-diffractive vector Bessel beams / Z. Bouchal, M. Olivík // Journal of Modern Optics. - 1995. - Vol. 42, Issue 8. - P. 1555-1566.
  26. Dudley, A. Generating and measuring nondiffracting vector Bessel beams / A. Dudley, Y. Li, T. Mhlanga, M. Escuti, A. Forbes // Optics Letters. - 2013. - Vol. 38, Issue 17. - P. 3429-3432.
  27. Kotlyar, V.V. An algorithm for the generation of laser beams with longitudinal periodicity: rotating images / V.V. Kotlyar, V.A. Soifer, S.N. Khonina // Journal of Mo­dern Optics. - 1997. - Vol. 44, Issue 7. - P. 1409-1416.
  28. Paakkonen, P. Rotating optical fields: experimental demonstration with diffractive optics / P. Paakkonen, J. Lautanen, M. Honkanen, M. Kuittinen, J. Turunen, S.N. Khonina, V.V. Kotlyar, V.A. Soifer, A.T. Friberg // Journal of Modern Optics. - 1998. - Vol. 45, Issue 11. - P. 2355-2369.
  29. Порфирьев, А.П. Простой способ формирования полых недифрагирующих световых пучков с распределением интенсивности в виде контура правильного многоугольника / А.П. Порфирьев, Р.В. Скиданов // Компьютерная оптика. - 2014. - Т. 38, № 2. - С. 243-248.
  30. Фидирко, Н.С. Формирование трёхмерных распределений интенсивности при дифракции лазерного излучения на кольцевых апертурах в условиях острой фокусировки / Н.С. Фидирко, С.Н. Хонина // Известия Самарского научного центра РАН. - 2014. - Т. 16, № 6. - C. 19-25.

© 2009, IPSI RAS
Institution of Russian Academy of Sciences, Image Processing Systems Institute of RAS, Russia, 443001, Samara, Molodogvardeyskaya Street 151; E-mail: ko@smr.ru; Phones: +7 (846) 332-56-22, Fax: +7 (846) 332-56-20