(45-6) 05 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Формирование векторного пучка с помощью конической преломляющей поверхности
М.С. Губаев 1,2, С.А. Дегтярев 1,2, Ю.С. Стрелков 1,2, С.Г. Волотовский 1, Н.А. Ивлиев 1,2, С.Н. Хонина 1,2

1 ИСОИ РАН – филиал ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН,
443001, Россия, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 151,

2 Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва,
443086, Россия, г. Самара, Московское шоссе, д. 34

 PDF, 1162 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1036

Страницы: 828-838.

Аннотация:
В данной работе для формирования азимутально-поляризованного пучка предлагается использовать рефракционный конический аксикон. Исследованы поляризационные состояния лучей при прохождении через границы раздела сред, а также преобразования поляризации с помощью аксикона с использованием собственной разработанной программы по трассированию лучей с учётом поляризации и отображения эллипсов поляризации. Описание состояния поляризации осуществлялось с использованием нотации Джонса и с учётом выполнения закона сохранения энергии. Выведены и реализованы формулы для вычисления вектора Джонса в различных лучевых базисах и базисах поверхности, а также перевода вектора Джонса из одного базиса в другой. Разработаны алгоритмы отображения эллипсов поляризации на одной плоскости для пучков, не являющихся плоскопараллельными. Рассчитан и показан ход лучей в трёхмерном аксиконе с учётом поляризации.

Ключевые слова:
геометрическая оптика, аксикон, поляризация, коэффициенты Френеля, азимутально-поляризованный пучок.

Благодарности
Исследование выполнено под эгидой программы «ERA.Net RUS plus» при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-52-76021 в разделах «Введение», «Заключение», «Формулы отражения и преломления», «Поляризация при трассировке лучей», «Нормаль к поверхности второго порядка», «Формирование азимутально-поляризованного пучка с помощью аксикона», «Второе взаимодействие с поверхностью», а также Министерства науки и высшего образования РФ в рамках выполнения работ по Государственному заданию ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН в частях «Визуализация эллипса поляризации» и «Пересечение луча с поверхностью второго порядка».

Цитирование:
Губаев, М.С.Формирование векторного пучка с помощью конической преломляющей поверхности / М.С. Губаев, С.А. Дегтярев, Ю.С. Стрелков, С.Г. Волотовский, Н.А. Ивлиев, С.Н. Хонина // Компьютерная оптика. – 2021. – Т. 45, № 6. – С. 828-838. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1036.

Citation:
Gubaev MS, Degtyarev SA, Strelkov YS, Volotovsky SG, Ivliev NA, Khonina SN. Vectorial beam generation with a conical refractive surface. Computer Optics 2021; 45(6): 828-838. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1036.

Литература:
  1. McLeod, J. The axicon: A new type of optical element / J. McLeod // Journal of the Optical Society of America. – 1954. – Vol. 44, Issue 8. – P. 592-597. – DOI: 10.1364/JOSA.44.000592.
  2. Durnin, J. Diffraction-free beams / J. Durnin, J.J. Miceli, Jr., J.H. Eberly // Physical Review Letters. – 1987. – Vol. 58, Issue 15. – P. 1499-1501. – DOI: 10.1103/PhysRevLett.58.1499.
  3. Turunen, J. Holographic generation of diffraction-free beams / J. Turunen, A. Vasara, A.T. Friberg // Applied Optics. – 1988. – Vol. 27, Issue 19. – P. 3959-3962. – DOI: 10.1364/AO.27.003959.
  4. Kalosha, V.P. Toward the subdiffraction focusing limit of optical superresolution / V.P. Kalosha, I. Golub // Optics Letters. – 2007. – Vol. 32, Issue 24. – P. 3540-3542. – DOI: 10.1364/OL.32.003540.
  5. Khonina, S.N. Bessel beam: Significance and applications – A progressive review / S.N. Khonina, N.L. Kazanskiy, S.V. Karpeev, M.A. Butt // Micromachines. – 2020. – Vol. 11, Issue 11. – 997 (28p). – DOI: 10.3390/mi11110997.
  6. Yu, Y.-J. Focusing characteristics of optical fiber axicon microlens for near-field spectroscopy: dependence of tip apex angle / Y.-J. Yu, H. Noh, M.-H. Hong, H.-R. Noh, Y. Arakawa, W. Jhe // Optics Communications. – 2006. – Vol. 267, Issue 1. – P. 264-270. – DOI: 10.1016/j.optcom.2006.06.044.
  7. Grosjean, T. Fiber microaxicons fabricated by a polishing technique for the generation of Bessel-like beams / T. Grosjean, S.S. Saleh, M.A. Suarez, I.A. Ibrahim, V. Piquerey, D. Charraut, P. Sandoz // Applied Optics. – 2007. – Vol. 46, Issue 33. – P. 8061-8067. – DOI: 10.1364/AO.46.008061.
  8. 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, Issue 4. – P. 802-807. – DOI: 10.1364/JOSAA.31.000802.
  9. Jaroszewicz, Z. Axicon – the most important optical element / Z. Jaroszewicz, A. Burvall, A.T. Friberg // Optics and Photonics News. – 2005. – Vol. 16, Issue 4. – P. 34-39. – DOI: 10.1364/OPN.16.4.000034.
  10. 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.
  11. Filipkowski, A. Nanostructured gradient index microaxicons made by a modified stack and draw method / A. Filipkowski, B. Piechal, D. Pysz, R. Stepien, A. Waddie, M.R. Taghizadeh, R. Buczynski // Optics Letters. – 2015. – Vol. 40, Issue 22. – P. 5200-5203. – DOI: 10.1364/OL.40.005200.
  12. Žukauskas, A. Monolithic generators of pseudo-nondiffrac­ting optical vortex beams at the microscale / A. Žukauskas, M. Malinauskas, E. Brasselet // Applied Physics Letters. – 2013. – Vol. 103, Issue 18. – 181122. – DOI: 10.1063/1.4828662.
  13. Musigmann, M. Refractive–diffractive dispersion compensation for optical vortex beams with ultrashort pulse durations / M. Musigmann, J. Jahns, M. Bock, R. Grunwald // Applied Optics. – 2014. – Vol. 53, Issue 31. – P. 7304-7311. – DOI: 10.1364/AO.53.007304.
  14. Chi, W. Electronic imaging using a logarithmic sphere / W. Chi, N. George // Optics Letters. – 2001. – Vol. 26, Issue 12. – P. 875-877. – DOI: 10.1364/OL.26.000875.
  15. Golub, I. Characterization of a refractive logarithmic axicon / I. Golub, B. Chebbi, D. Shaw, D. Nowacki // Optics Letters. – 2010. – Vol. 35, Issue 16. – P. 2828-2830. – DOI: 10.1364/OL.35.002828.
  16. Khonina, S.N. Very compact focal spot in the near-field of the fractional axicon / S.N. Khonina, A.V. Ustinov // Optics Communications. – 2017. – Vol. 391. – P. 24-29. – DOI: 10.1016/j.optcom.2016.12.034.
  17. Gorelick, S. Axilenses: refractive micro-optical elements with arbitrary exponential profiles / S. Gorelick, D.M. Paganin, A. de Marco // APL Photonics. – 2020. – Vol. 5, Issue 10. – 106110. – DOI: 10.1063/5.0022720.
  18. Sanchez-Padilla, B. Wrinkled axicons: shaping light from cusps / B. Sanchez-Padilla, A. Žukauskas, A. Aleksanyan, A. Balčytis, M. Malinauskas, S. Juodkazis, E. Brasselet // Optics Express. – 2016. – Vol. 24, Issue 21. – P. 24075-24082. – DOI: 10.1364/OE.24.024075.
  19. Khonina, S.N. Refractive twisted microaxicons / S.N. Khonina, S.V. Krasnov, A.V. Ustinov, S.A. Degtyarev, A.P. Porfirev, A. Kuchmizhak, S.I. Kudryashov // Optics Letters. – 2020. – Vol. 45, Issue 6. – P. 1334-1337. – DOI: 10.1364/OL.386223.
  20. 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. – DOI: 10.1364/JOSAA.22.002542.
  21. Kuchmizhak, A. High-quality fiber microaxicons fabricated by a modified chemical etching method for laser focusing and generation of Bessel-like beams / A. Kuchmizhak, S. Gurbatov, A. Nepomniaschii, O. Vitrik, Y. Kulchin // Applied Optics. – 2014. – Vol. 53, Issue 5. – P. 937-943. – DOI: 10.1364/AO.53.000937.
  22. Kotlyar, V.V. Sharp focus area of radially-polarized Gaussian beam propagation through an axicon / V.V. Kotlyar, A.A. Kovalev, S.S. Stafeev // Progress in Electromagnetics Research C. – 2008. – Vol. 5. – P. 35-43.
  23. Zhan, Q. Cylindrical vector beams: from mathematical concepts to applications / Q. Zhan // Advances in Optics and Photonics. – 2009. – Vol. 1, Issue 1. – P. 1-57. – DOI: 10.1364/AOP.1.000001.
  24. Wei, M.-D. Adjustable generation of bottle and hollow beams using an axicon / M.-D. Wei, W.-L. Shiao, Y.-T. Lin // Optics Communications. – 2005. – Vol. 248, Issues 1-3. – P. 7-14. – DOI: 10.1016/j.optcom.2004.11.092.
  25. Yang, Y. Focal shift in spatial-variant polarized vector Bessel–Gauss. beams / Y. Yang, M. Leng, Y. He, H. Liu, Q. Chang, C. Li // Journal of Optics. – 2013. – Vol. 15, Issue 1. – 014003. – DOI: 10.1088/2040-8978/15/1/014003.
  26. Rodrigo, J.A. Freestyle 3D laser traps: Tools for studying light-driven particle dynamics and beyond / J.A. Rodrigo, T. Alieva // Optica. – 2015. – Vol. 2. – P. 812-815. – doi: 10.1364/OPTICA.2.000812.
  27. Khonina, S.N. 3D transformations of light fields in the focal region implemented by diffractive axicons / S.N. Khonina, A.P. Porfirev // Applied Physics B. – 2018. – Vol. 124. – 191 (13 p.). – DOI: 10.1007/s00340-018-7060-4.
  28. Хило, Н.А. Преобразование порядка бесселевых пучков в одноосных кристаллах / Н.А. Хило, Е.С. Петрова, А.А. Рыжевич // Квантовая электроника. – 2001. – Т. 31, № 1. – С. 85-89.
  29. Khilo, N.A. Diffraction and order conversion of Bessel beams in uniaxial crystals / N.A. Khilo // Optics Communications. – 2012. – Vol. 285, Issue 5. – P. 503-509. – DOI: 10.1016/j.optcom.2011.11.014.
  30. Khonina, S.N. Effective transformation of a zero-order Bessel beam into a second-order vortex beam using a uniaxial crystal / S.N. Khonina, A.A. Morozov, S.V. Karpeev // Laser Physics. – 2014. – Vol. 24, Issue 5. – 056101 (5 p.). – DOI: 10.1088/1054-660X/24/5/056101.
  31. Скиданов, Р.В. Дифракционные аксиконы для формирования радиально-поляризованного света на основе использования стопы Столетова / Р.В. Скиданов, А.А. Морозов // Компьютерная оптика. – 2014. – Т. 38, № 4. – С. 614-618. – DOI: 10.18287/0134-2452-2014-38-4-614-619.
  32. Karpeev, S.V. Generation of a controlled double-ring-shaped radially polarized spiral laser beam using a combination of a binary axicon with an interference polarizer / S.V. Karpeev, V.D. Paranin, S.N. Khonina // Journal of Optics. – 2017. – Vol. 19, Issue 5. – 055701 (7 p.). – DOI: 10.1088/2040-8986/aa640c.
  33. Masuda, K. Azo-polymer film twisted to form a helical surface relief by illumination with a circularly polarized Gaussian beam / K. Masuda, S. Nakano, D. Barada, M. Kumakura, K. Miyamoto, T. Omatsu // Optics Express. – 2017. – Vol. 25, Issue 11. – P. 12499-12507. – DOI: 10.1364/OE.25.012499.
  34. Khonina, S.N. Influence of optical forces induced by paraxial vortex Gaussian beams on the formation of a microrelief on carbazole-containing azopolymer films / S.N. Khonina, A.V. Ustinov, S.G. Volotovskiy, N.A. Ivliev, V.V. Podlipnov // Applied Optics. – 2020. – Vol. 59, Issue 29. – P. 9185-9194. – DOI: 10.1364/AO.398620.
  35. Kharintsev, S.S. Polarization of near-field light induced with a plasmonic nanoantenna / S.S. Kharintsev, A.I. Fishman, S.G. Kazarian, M.K. Salakhov // Physical Review B. – 2015. – Vol. 92, Issue 11. – 115113. – DOI: 10.1103/PhysRevB.92.115113.
  36. Masuda, K. Picosecond optical vortex-induced chiral surface relief in an azo-polymer film / K. Masuda, R. Shinozaki, A. Shiraishi, M. Ichijo, K. Yamane, K. Miyamoto, T. Omatsu // Journal of Nanophotonics. – 2020. – Vol. 14, Issue 1. – 016012. – DOI: 10.1117/1.JNP.14.016012.
  37. Ferrer-Garcia, M.F. Theoretical analysis on spatially structured beam induced mass transport in azo-polymer films / M.F. Ferrer-Garcia, Y. Alvandi, Y. Zhang, E. Karimi // Optics Express. – 2020. – Vol. 28, Issue14. – P. 19954-19965. – DOI: 10.1364/OE.395054.
  38. Tovar, A.A. Production and propagation of cylindrically polarized Laguerre–Gaussian laser beams / A.A. Tovar // Journal of the Optical Society of America A. – 1998. – Vol. 15, Issue 10. – P. 2705-2711. – DOI: 10.1364/JOSAA.15.002705.
  39. Kozawa, Y. Generation of a radially polarized laser beam by use of a conical Brewster prism / Y. Kozawa, S. Sato // Optics Letters. – 2005. – Vol. 30, Issue 22. – P. 3063-3065. – DOI: 10.1364/OL.30.003063.
  40. Radwell, N. Achromatic vector vortex beams from a glass cone / N. Radwell, R.D. Hawley, J.B. Gotte, S. Franke-Arnold // Nature Communications. – 2016. – Vol. 7. – 10654. – DOI: 10.1038/ncomms10564.

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