(43-5) 07 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Расчёт, изготовление и исследование субволнового аксикона для поляризационного преобразования излучения терагерцового диапазона

С.Н. Хонина1,2, К.Н. Тукмаков1,2, С.А. Дегтярев1,2, А.С. Решетников1, В.С. Павельев1,2, Б.А. Князев1,3,4, Ю.Ю. Чопорова1,3,4

1 Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва,  
443086, Россия, Самарская область, г. Самара, Московское шоссе, д. 34,
2 ИСОИ РАН – филиал ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН,  
443001, Россия, Самарская область, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 151,  
3 Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, Новосибирск, 630090, Россия,  
4 Новосибирский государственный университет, Новосибирск, 630090, Россия

 PDF, 1388 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-2019-43-5-756-764

Страницы: 756-764.

Аннотация:
Рассчитан, изготовлен и исследован методами численного и натурного экспериментов кремниевый субволновый аксикон. В ходе экспериментов, поставленных на рабочей станции Новосибирского лазера на свободных электронах, исследованы дифракционные и поляризационные свойства созданного элемента.

Ключевые слова:
дифракционный оптический элемент, лазер на свободных электронах, терагерцовое излучение, субволновый аксикон.

Цитирование:
Хонина, С.Н. Расчёт, изготовление и исследование кремниевого субволнового аксикона терагерцового диапазона / С.Н. Хонина, К.Н. Тукмаков, С.А. Дегтярев, А.С. Решетников, В.С. Павельев, Б.А. Князев, Ю.Ю. Чопорова // Компьютерная оптика. – 2019. – Т. 43, № 5. – С. 756-764. – DOI: 10.18287/2412-6179-2019-43-5-756-764.

Благодарности:
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ (грант № 19-72-20202).

Литература:
  1. Kulipanov, G.N. Novosibirsk free electron laser-facility description and recent experiments / G.N. Kulipanov, E.G. Bagryanskaya, E.N. Chesnokov, Yu.Yu. Choporova, V.V. Gerasimov, Ya.V. Getmanov, S.L. Kiselev, B.A. Kny­azev, V.V. Kubarev, S.E. Peltek, V.M. Popik, T.V. Salikova, M.A. Scheglov, S.S. Seredniakov, O.A. Shevchenko, A.N. Skrinsky, S.L. Veber, N.A. Vinokurov // IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. – 2015. – Vol. 5, Issue 5. – P. 798-809. – DOI: 10.1109/TTHZ.2015.2453121.
  2. Walsby, E.D. Multilevel silicon diffractive optics for terahertz waves / E.D. Walsby, S. Wang, J. Xu, T. Yuan, R. Blaikie, S.M. Durbin, X.-C. Zhang, D.R.S. Cumming // Journal of Vacuum Science and Technology B. – 2002. – Vol. 20, Issue 6. – 2780.
  3. Furlan, W.D. 3D printed diffractive terahertz lenses / W.D. Furlan, V. Ferrando, J.A. Monsoriu, P. Zagrajek, E. Czerwinska, M. Szustakowski // Optics Letters. – 2016. – Vol. 41, Issue 8. – P. 1748-1751. – DOI: 10.1364/OL.41.001748.
  4. Агафонов, А.Н. Кремниевые дифракционные оптические элементы для мощного монохроматического терагерцового излучения / А.Н. Агафонов, Б.О. Володкин, А.К. Кавеев, Б.А. Князев, Г.И. Кропотов, В.С. Павельев, В.А. Сойфер, К.Н. Тукмаков, Е.В. Цыганкова, Ю.Ю. Чопорова // Автометрия. – 2013. – Т. 49, № 2. – С. 98-105.
  5. Knyazev, B.A. Real-time imaging using a high-power monochromatic terahertz source: Comparative description of imaging techniques with examples of application / B.A. Knyazev, V.S. Cherkassky, Yu.Yu. Choporova, V.V. Gerasimov, M.G. Vlasenko, M.A. Dem’yanenko, D.G. Esaev // Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz Waves. – 2011. – Vol. 32, Issue 10. – P. 1207-1222.
  6. Дифракционная компьютерная оптика / Д.Л. Головаш­кин, Л.Л. Досколович, Н.Л. Казанский, В.В. Котляр, В.С. Павельев, Р.В. Скиданов, В.А. Сойфер, С.Н. Хонина; под ред. В.А. Сойфера. – М.: Физматлит, 2007. – ISBN: 5-9221-0845-4.
  7. Агафонов, А.Н. Кремниевая оптика для фокусировки лазерного излучения терагерцового диапазона в заданные двумерные области / А.Н. Агафонов, Б.О. Володкин, С.Г. Волотовский, А.К. Кавеев, Б.А. Князев, Г.И. Кропотов, В.С. Павельев, К.Н. Тукмаков, Е.В. Цыганкова, Д.И. Цыпишка, Ю.Ю. Чопорова // Компьютерная оптика. – 2013. – Т. 37, № 4. – С. 464-470.
  8. Агафонов, А.Н. Управление поперечно-модовым составом терагерцового лазерного излучения с помощью элементов бинарной кремниевой оптики / А.Н. Агафонов, Б.О. Володкин, А.К. Кавеев, Б.А. Князев, Г.И. Кропотов, В.С. Павельев, К.Н. Тукмаков, Ю.Ю. Чопорова // Компьютерная оптика. – 2014. – Т. 38, № 4. – С. 763-769.
  9. Choporova, Yu.Yu. High-power Bessel beams with orbital angular momentum in the terahertz range / Yu.Yu. Choporova, B.A. Knyazev, G.N. Kulipanov, V.S. Pavelyev, M.A. Scheglov, N.A. Vinokurov, B.O. Volodkin, V.N. Zha­bin // Physics Review A. – 2017. – Vol. 96. – 023846. – DOI: 10.1103/PhysRevA.96.023846.
  10. Rubinsztein-Dunlop, H. Roadmap on structured light / H. Rubinsztein-Dunlop, A. Forbes, M.V. Berry, M.R. Den­nis, D.L. Andrews, M. Mansuripur, C. Denz, Ch. Alpmann, P. Banzer, T. Bauer, E. Karimi, L. Marrucci, M. Padgett, M. Ritsch-Marte, N.M. Litchinitser, N.P. Bigelow, C. Ro­sales-Guzmán, A. Belmonte, J.P. Torres, T.W. Neely, M. Baker, R. Gordon, A.B. Stilgoe, J. Romero, A.G. White, R. Fickler, A.E. Willner, G. Xie, B. Mcmorran, A.M. Wei­ner // Journal of Optics. – 2017. – Vol. 19, Issue 1. – 013001.
  11. Chen, R. Statistical properties of a cylindrical vector partially coherent beam in turbulent atmosphere / R. Chen, Y. Dong, F. Wang, Y. Cai // Applied Physics B. – 2013. – Vol. 112. – P. 247-259.
  12. Huang, H. 100 Tbit/s free-space data link enabled by three-dimensional multiplexing of orbital angular momentum, polarization, and wavelength / H. Huang, G. Xie, Y. Yan, N. Ahmed, Y. Ren, Y. Yue, D. Rogawski, M.J. Willner, B.I. Erkmen, K.M. Birnbaum, S.J. Dolinar, M.P.J. Lavery, M.J. Padgett, M. Tur, A.E. Willner // Optics Letters. – 2014. – Vol. 39, Issue 2. – P. 197-200.
  13. Milione, G. Using the nonseparability of vector beams to encode information for optical communication / G. Milione, T.A. Nguyen, J. Leach, D.A. Nolan, R.R. Alfano // Optics Letters. – 2015. – Vol. 40, Issue 21. – P. 4887-4890.
  14. Moreno, I. Vector beam polarization state spectrum analyzer / I. Moreno, J.A. Davis, K. Badham, M.M. Sánchez-López, J.E. Holland, D.M. Cottrell // Scientific Reports. – 2017. – Vol. 7, Issue 1. – 2216.
  15. Khonina, S.N. Recognition of polarization and phase states of light based on the interaction of nonuniformly polarized laser beams with singular phase structures / S.N. Khonina, A.P. Porfirev, S.V. Karpeev // Optics Express. – 2019. – Vol. 27, Issue 13. – P. 18484-18492. – DOI: 10.1364/OE.27.018484.
  16. Kraus, M. Microdrilling in steel using ultrashort pulsed laser beams with radial and azimuthal polarization / M. Kraus, M.A. Ahmed, A. Michalowski, A. Voss, R. Weber, T. Graf // Optics Express. – 2010. – Vol. 18, Issue 21. – 22305.
  17. Hnatovsky, C. Polarization-dependent ablation of silicon using tightly focused femtosecond laser vortex pulses / C. Hnatovsky, V.G. Shvedov, N. Shostka, A.V. Rode, W. Krolikowski // Optics Letters. – 2012. – Vol. 37, Issue 2. – P. 226-228.
  18. Алфёров, С.В. О возможности управления лазерной абляцией при острой фокусировке фемтосекундного излучения / С.В. Алфёров, С.В. Карпеев, С.Н. Хонина, К.Н. Тукмаков, О.Ю. Моисеев, С.А. Шуляпов, К.А. Иванов, А.Б. Савельев-Трофимов // Квантовая электроника. – 2014. – Т. 44, № 11. – С. 1061-1065.
  19. 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.
  20. Данилов, П.А. Поляризационно-селективное возбуждение люминесценции красителя на золотой плёнке структурированными ультракороткими лазерными импульсами / П.А. Данилов, И.Н. Сараева, С.И. Кудряшов, А.П. Порфирьев, А.А. Кучмижак, А.Ю. Жижченко, А.А. Руденко, С.Ф. Уманская, Д.А. Заярный, A.A. Ионин, С.Н. Хонина // Письма в ЖЭТФ. – Т. 107, Вып. 1-2. – С. 18-22. – DOI: 10.7868/S0370274X18010046.
  21. Hell, S.W. Breaking the diffraction resolution limit by stimulated-emission-depletion fluorescence microscopy / S.W. Hell, J. Wichmann // Optics Letters. – 1994. – Vol. 19. – P. 780-782.
  22. Török, P. The use of Gauss–Laguerre vector beams in STED microscopy / P. Török, P.R.T. Munro // Optics Express. – 2004. – Vol. 12. – P. 3605-3617.
  23. Hao, X. Effects of polarization on the de-excitation dark focal spot in STED microscopy / X. Hao, C. Kuang, T. Wang, X. Liu // Journal of Optics. – 2010. – Vol. 12. – 115707.
  24. 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. – P. 1470-1474. – DOI: 10.1364/JOSAA.29.001470.
  25. Khonina, S.N. How low can STED go? Comparison of different write-erase beam combinations for stimulated emission depletion microscopy / S.N. Khonina, I. Golub // Journal of the Optical Society of America A. – 2012. – Vol. 29, Issue 10. – P. 2242-2246. – DOI: 10.1364/JOSAA.29.001470.
  26. Weibin, C. Realization of an evanescent Bessel beam via surface plasmon interference excited by a radially polarized beam / C. Weibin, Q. Zhan // Optics Letters. – 2009. – Vol. 34. – P. 722-724.
  27. Bomzon, Z. Space-variant Pancharatnam-Berry phase optical elements with computer-generated subwavelength gratings / Z. Bomzon, G. Biener, V. Kleiner, E. Hasman // Optics Letters. – 2002. – Vol. 27. – P. 1141-1143.
  28. Niv, A. Propagation-invariant vectorial Bessel beams obtained by use of quantized Pancharatnam-Berry phase optical elements / A. Niv, G. Biener, V. Kleiner, E. Hasman // Optics Letters. – 2004. – Vol. 29. – P. 238-240.
  29. Stafeev, S.S. Subwavelength gratings for polarization conversion and focusing of laser light / S.S. Stafeev, V.V. Kotlyar, A.G. Nalimov, M.V. Kotlyar, L. O’Faolain // Photonics and Nanostructures – Fundamentals and Applications. – 2017. – Vol. 27. – P. 32-41. – DOI: 10.1016/j.photonics.2017.09.001.
  30. Degtyarev, S.A. Sublinearly chirped metalenses for forming abruptly autofocusing cylindrically polarized beams / S.A. Degtyarev, S.G. Volotovsky, S.N. Khonina // Journal of the Optical Society of America B. – 2018. – Vol. 35, Issue 8. – P. 1963-1969. – DOI: 10.1364/JOSAB.35.001963.
  31. Durnin, J. Diffraction-free beams / J. Durnin, J.J. Miceli, J.H. Eberly // Physical Review Letters. – 1987. – Vol. 58, Issue 15. – P. 1499-1501.
  32. Карпеев, С.В. Высокоапертурный бинарный биаксикон для дальнего ИК-диапазона: изготовление и экспериментальное тестирование при линейной поляризации падающего излучения // С.В. Карпеев, С.Н. Хонина, А.В. Волков, О.Ю. Моисеев, Г.Ф. Костюк, Д.М. Якуненкова // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П. Королёва. – 2010. – Т. 4, Вып. 24. – С. 215-223.
  33. 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, No. 4. – P. 623-630. – DOI: 10.1134/S1063776113120157.
  34. 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.
  35. Khonina, S.N. Focused, evanescent, hollow, and collimated beams formed by microaxicons with different conical angles / S.N. Khonina, S.A. Degtyarev, D.A. Savelyev, A.V. Ustinov // Optics Express. – 2017. – Vol. 25, Issue 16. – P. 19052-19064. – DOI: 10.1364/OE.25.019052.
  36. Lalanne, P. On the effective medium theory of subwavelength periodic structures / P. Lalanne, D. Lemercier-Lalanne // Journal of Modern Optics. – 1996. – Vol. 43. – P. 2063-2085.
  37. Degtyarev, S.A. Metasurfaces with continuous ridges for inverse energy flux generation / S.A. Degtyarev, D.A. Savelyev, S.N. Khonina, N.L. Kazanskiy // Optics Express. – 2019. – Vol. 27, Issue 11. – P. 15129-15135. – DOI: 10.1364/OE.27.015129.
  38. Silicon [Electronical Resource]. – URL: http://www.tydexoptics.com/pdf/Si.pdf (request date 11.09.2019).
  39. Wet-chemical etching of silicon and SiO2 [Electronical Resource]. – URL: http://www.microchemicals.eu/techni­cal_information/silicon_etching.pdf (request date 11.09.2019).
  40. U.S. Patent 5,501,893 C25F 3/12, B44C 1/22, 428/161. Method of Anisotropically Etching Silicon / F. Laermer, A. Schilp, filed of November 27, 1993, published of March 26, 1996.
  41. Jansen, H. Black silicon method X: a review on high speed and selective plasma etching of silicon with profile control: an in-depth comparison between Bosch and cryostat DRIE processes as a roadmap to next generation equipment / H. Jansen, M. de Boer, S. Unnikrishnan, M. Louwerse, M.C. Elwenspoek // Journal of Micromechanics and Microengineering. – 2009. – Vol. 19. – P. 1-41.
  42. Ayon, A.A. Characterization of a time multiplexed inductively coupled plasma etcher / A.A. Ayon // Journal of the Electrochemical Society. – 1999. – Vol. 146, Issue 1. – P. 339-349.

 

© 2009, IPSI RAS
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: ko@smr.ru ; тел: +7 (846) 242-41-24 (ответственный секретарь), +7 (846) 332-56-22 (технический редактор), факс: +7 (846) 332-56-20