Дифракция на аксиконе с учётом нескольких внутренних отражений
Устинов А.В., Дегтярев С.А., Хонина С.Н.

Институт систем обработки изображений РАН, Самара, Россия,
Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет) (СГАУ), Самара, Россия

Аннотация:
В работе рассматривается дифракция лазерного излучения на узком аксиконе в случае, когда угол конуса значительно меньше предельного (при котором наступает полное внутреннее отражение). В этом случае для корректного описания прохождения излучения через аксикон необходимо рассматривать несколько внутренних отражений. Дифракция рассматривается в двух моделях: геометрооптической и на основе решения уравнения Гельмгольца методом конечных элементов. На основе лучевой модели получены аналитические выражения для значений конического угла, определяющих границы формирования действительного и мнимого фокусов. Моделирование с использованием метода конечных элементов подтвердило теоретические результаты.

Ключевые слова :
рефракционный аксикон, полное внутреннее отражение, действительный и мнимый фокусы, метод конечных элементов.

Цитирование:
Устинов, А.В. Дифракция на аксиконе с учётом нескольких внутренних отражений / А.В. Устинов, С.А. Дегтярев, С.Н. Хонина // Компьютерная оптика. – 2015. – Т. 39, № 4. – С. 500-507. – DOI: 10.18287/0134-2452-2015-39-4-500-507.

Литература:

  1. McLeod, J.H. The axicon: a new type of optical element / J.H. McLeod // Journal of the Optical Society of America. – 1954. – Vol. 44. – P. 592-597.
  2. Jaroszewicz, Z. Axicon – the most important optical element / Z. Jaroszewicz, A. Burvall, A.T. Friberg // Optics & Photonics News. – 2005, April. – Vol. 16. – P. 34-39.
  3. Durnin, J. Diffraction-free beams / J. Durnin, J.J. Miceli, Jr., J.H. Eberly // Physical Review Letters. – 1987. – Vol. 58. – P. 1499-1501.
  4. McGloin, D. Bessel beams: diffraction in a new light / D. McGloin, K. Dholakia // Contemporary Physics. – 2005. – Vol. 46, Issue 1. – P. 15-28.
  5. Babadjanyan, A.J. Superfocusing of surface polaritons in the conical structure / A.J. Babadjanyan, N.L. Margaryan, Kh.V. Nerkararyana // Journal of Applied Physics. – 2000. – Vol. 87(8). – P. 3785-3788.
  6. Novotny, L. Principles of Nano-Optics / L. Novotny, D. Hecht. – New York: Cambridge, 2006.
  7. Goncharenko, A.V. Wang, Electric near-field enhancing properties of a finite-size metal conical nano-tip / A.V. Gon­charenko, H.-C. Chang, J.-K. Wang // Ultramicroscopy. – 2007. – Vol. 107. – P. 151-157.
  8. Antosiewicz, T.J. Nanofocusing of radially polarized light with dielectric-metal-dielectric probe / T.J. Antosiewicz, P. Wróbel, T. Szoplik // Optics Express. – 2009. – Vol. 17, Issue 11. – P. 9191-9196.
  9. Choo, H. Nanofocusing in a metal–insulator–metal gap plasmon waveguide with a three-dimensional linear taper / H. Choo, M.-K. Kim, M. Staffaroni, T.J. Seok, J. Bokor, S. Cabrini, P.J. Schuck, M.C. Wu, E. Yablonovitch // Nature Photonics. – 2012. – Vol. 6. – P. 838-844.
  10. Berweger, S. Light on the tip of a needle: plasmonic nanofocusing for spectroscopy on the nanoscale / S. Berweger, J.M. Atkin, R.L. Olmon, M.B. Raschke // Journal of Physical Chemistry Letters. – 2012. – Vol. 3. – P. 945-952.
  11. Gramotnev, D.K. Optimized nonadiabatic nanofocusing of plasmons by tapered metal rods / D.K. Gramotnev, M.W. Vogel, M.I. Stockman// Journal of Applied Physics. – 2008. – Vol. 104. – P. 034311 (8 pp).
  12. Davoyan, A.R. Optimal tapers for compensating losses in plasmonic waveguides / A.R. Davoyan, I.V. Shadrivov, Y.S. Kivshar, D.K. Gramotnev // Physica Status Solidi (RRL). – 2010. – Vol. 4(10). – P. 277-279.
  13. Degtyarev, S.A. Theoretical and experimental study of aperture size effects on the polarization sensitivity of near-field microscopy fiber-optic probes / S.A. Degtyarev, S.N. Khonina, S.V. Alferov, S.V. Karpeev // Proceedings of SPIE. – 2014. – Vol. 9156. – P. 915608 (13 pp). – DOI:10.1117/12.2054204.
  14. Degtyarev, S.A. Transmission of focused light signal through an apertured probe of a near-field scanning microscope / S.A. Degtyarev, S.N. Khonina // Pattern Recognition and Image Analysis. – 2015. – Vol. 25(2). – P. 306-313.
  15. Gramotnev, D.K. Nanofocusing of electromagnetic radiation / D.K. Gramotnev, S.I. Bozhevolnyi // Nature Photonics. – 2014. – Vol. 8. – P. 14-23.
  16. Дегтярев, С.А. Нанофокусировка с помощью заострённых структур / С.А. Дегтярев, А.В. Устинов, С.Н. Хонина // Компьютерная оптика. – 2014. – T. 38, № 4. – С. 629-637.
  17. Zhang, Y. Vector propagation of radially polarized Gaussian beams diffracted by an axicon / Y. Zhang, L. Wang, C. Zheng // Journal of the Optical Society of America A. – 2005. – Vol. 22, Issue 11. – P. 2542-2546.
  18. Котляр, В.В. Моделирование острой фокусировки радиально-поляризованной лазерной моды с помощью конического и бинарного микроаксиконов / В.В. Котляр, С.С. Стафеев // Компьютерная оптика. – 2009. – Т. 33, № 1. – С. 52-60.
  19. Khonina, S.N. A longitudinally polarized beam generated by a binary axicon / S.N. Khonina, S.A. Degtyarev // Journal of Russian Laser Research. – 2015. – Vol. 36, No. 2. – P. 151-161.
  20. Хонина, С.Н. Исследование поляризационной чувствительности ближнепольного микроскопа с использованием бинарной фазовой пластины пучка / С.Н. Хонина, С.В. Алфёров, О.Ю. Моисеев, С.В. Карпеев // Компьютерная оптика. – 2013. – Т. 37, № 3. – С. 326-331.
  21. Khonina, S.N. Strengthening the longitudinal component of the sharply focused electric field by means of higher-order laser beams / S.N. Khonina, S.V. Karpeev, S.V. Alferov // Optics Letters. – 2013. – Vol. 38(17). – P. 3223-3226.
  22. Alferov, S.V. Study of polarization properties of fiber-optics probes with use of a binary phase plate / S.V. Alferov, S.N. Khonina, S.V. Karpeev // Journal of the Optical Society of America A. – 2014. – Vol. 31(4). – P. 802-807.
  23. 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(1). – P. 17-26.
  24. 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. – P. 085704 (9 pp).
  25. Khonina, S.N. High-aperture binary axicons for the formation of the longitudinal electric field component on the optical axis for linear and circular polarizations of the illuminating beam / S.N. Khonina, D.A. Savelyev // Journal of Experimental and Theoretical Physics. – 2013. – Vol. 117(4). – P. 623-630.
  26. Устинов, А.В. Расчёт комплексной функции пропускания рефракционных аксиконов / А.В. Устинов, С.Н. Хо­нина // Компьютерная оптика. – 2011. – Т. 35, № 4. – С. 480-490.
  27. Устинов, А.В. Анализ дифракции лазерного излучения на аксиконе с числовой апертурой выше предельной / А.В. Устинов, С.Н. Хонина // Компьютерная оптика. – 2014. – Т. 38, № 2. – С. 213-222.

© 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