Сегодня мы встречаемся с голографией и голографическими методами практически каждый день. Наши банковские карты и удостоверения личности защищены голограммами. Так называемые голографические оптические элементы (ГОЭ) менее известны, но не менее важны. ГОЭ обычно используют вместо линз или зеркал.

sitemap
Наш сайт использует cookies. Продолжая просмотр, вы даёте согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с нашей Политикой Конфиденциальности
Согласен
Поиск:

Вход
Архив журнала
Журналы
Медиаданные
Редакционная политика
Реклама
Авторам
Контакты
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
© 2001-2025
РИЦ Техносфера
Все права защищены
Тел. +7 (495) 234-0110
Оферта

Яндекс.Метрика
R&W
 
 
Вход:

Ваш e-mail:
Пароль:
 
Регистрация
Забыли пароль?
Книги по фотонике
Урик Винсент Дж.-мл., МакКинни Джейсон Д., Вилльямс Кейт Дж.
Другие серии книг:
Мир фотоники
Библиотека Института стратегий развития
Мир квантовых технологий
Мир математики
Мир физики и техники
Мир биологии и медицины
Мир химии
Мир наук о Земле
Мир материалов и технологий
Мир электроники
Мир программирования
Мир связи
Мир строительства
Мир цифровой обработки
Мир экономики
Мир дизайна
Мир увлечений
Мир робототехники и мехатроники
Для кофейников
Мир радиоэлектроники
Библиотечка «КВАНТ»
Умный дом
Мировые бренды
Вне серий
Библиотека климатехника
Мир транспорта
Мир станкостроения
Мир метрологии
Мир энергетики
Книги, изданные при поддержке РФФИ
Выпуск #1/2016
В.Венедиктов
Голографические датчики волнового фронта
Просмотры: 4608
Сегодня мы встречаемся с голографией и голографическими методами практически каждый день. Наши банковские карты и удостоверения личности защищены голограммами. Так называемые голографические оптические элементы (ГОЭ) менее известны, но не менее важны. ГОЭ обычно используют вместо линз или зеркал.
Спиральные пучки света

Сингулярная оптика, начавшаяся с эпизодических публикаций в 70-е годы прошлого века и пройдя период становления в 80-е годы, к настоящему времени полностью оформилась как самостоятельная область оптики, занимающаяся теоретическим и экспериментальным исследованием световых полей с фазовыми сингулярностями. Изучение таких полей при распространении в различных средах, способов их преобразования, возможностей формирования сингулярных световых полей с априорно заданными свойствами, а также прикладные аспекты, связанные, например, с конструированием дифракционных оптических элементов (ДОЭ), имеют большое значение как в научном плане, так и в плане применения в современных технологиях. Новый импульс развития это направление оптики получило после обнаружения взаимосвязи между угловым моментом световых полей и наличием у них фазовых сингулярностей.

Большая часть работ по сингулярной оптике ведется в параксиальном приближении, которое широко используется в современных исследованиях, поскольку является хорошей моделью для описания лазерного излучения. С развитием когерентной оптики появились экспериментальные и теоретические работы, показывающие, что лазер может излучать световые пучки, которые самосогласованны таким образом, что сохраняют свою структуру при распространении и фокусировке с точностью до масштаба. Такие пучки являются модами лазерных резонаторов, имеют жестко заданную форму и описываются двумя семействами специальных функций с различными типами симметрии: пучки Эрмита-Гаусса и Лагерра-Гаусса (рис.1). Простейшим представителем обоих семейств является гауссов пучок, поэтому пучки, построенные на его основе, часто называют обобщенными гауссовыми пучками. При распространении в свободном пространстве и фокусировке таких пучков изменяются только размеры поперечного распределения интенсивности, а форма интенсивности остается постоянной. Набор сферических и цилиндрических линз со специально подобранными фокусными расстояниями (модовый конвертор) позволяет преобразовать пучки Эрмита-Гаусса в пучки Лагерра-Гаусса [1].

Значительно расширить семейство рассматриваемых пучков удалось, когда задумались о построении таких световых полей, распределение интенсивности которых будет не только изменяться в масштабе, но и поворачиваться. Форма изображения в поперечной плоскости при этом по-прежнему будет сохраняться. Такие поля называют "вращающимися" или "спиральными". Название "спиральные пучки света" подчеркивает спиралевидный характер изменения светового поля при распространении в свободном пространстве.

Первые опубликованные работы по вращающимся световым полям относятся к 1993 году. В работе [2] проблема существования вращающихся полей теоретически исследована в общей постановке: были получены свойства спиральных пучков, характеризующие их распространение (масштаб, скорость поворота, фазовое смещение), и найдено разложение комплексной амплитуды таких пучков по модам Лагерра-Гаусса. В последующие годы разработка теории вращающихся световых полей продолжалась. Кроме того, были предложены различные варианты оптических схем для экспериментальной реализации вращающихся световых полей [3]. Следует также отметить работы [4–6], в которых рассматривались различные вопросы, связанные с вращением световых полей (перетекание энергии, орбитальный угловой момент).

Параметры распространения и разнообразие форм спиральных пучков

Моды Лагерра-Гаусса можно использовать как базис для разложения произвольных параксиальных световых пучков с конечной энергией. В формировании спиральных пучков участвуют только те моды, индексы которых удовлетворяют условию

2n + |m| + v0m = const.

Здесь v0 – параметр, который определяет скорость поворота распределения интенсивности пучка:

v (z) = v0 arctg (z/zR),

где zR – длина Рэлея. Полный угол поворота распределения интенсивности пучка при эволюции в свободном пространстве от плоскости перетяжки до плоскости Фурье составляет

v (+∞) – v (0) = πv0/2.

Если v0 = 0, то при распространении пучка распределение интенсивности не поворачивается. Частными случаями таких полей являются моды Лагерра-Гаусса и Эрмита-Гаусса.

Одним из наиболее интересных случаев является выбор v0 = ±1, поскольку он сочетает в себе простоту теоретического представления и богатое разнообразие возможностей для построения спиральных пучков. В частности, можно выбрать такой вариант, что интенсивность спирального пучка будет иметь вид некоторой априорно заданной плоской кривой. На рис.2 показана интенсивность спирального пучка в форме границы квадрата. При распространении такого пучка его интенсивность поворачивается на π/2 радиан.

Методы
экспериментальной реализации спиральных пучков

Спиральные пучки были реализованы экспериментально несколькими способами. Во-первых, непосредственно с помощью амплитудно-фазовых масок. Другой, менее очевидный метод синтеза таких пучков [3], основан на обобщении преобразования пучков Эрмита-Гаусса в пучки Лагерра-Гаусса и сводится к синтезу одномерного по структуре поля ("штрихкод"), которое преобразуется в оптической системе, показанной на рис.3, 4.

Эти пучки оказались полезны для создания высокоэффективных дифракционных фазовых элементов, позволяющих получить в плоскости фокусировки распределение интенсивности в виде априорно заданной плоской кривой (рис.5). На основе теории спиральных пучков могут быть построены фазовые элементы для фокусировки лазерного излучения с высокой эффективностью (разработан численный алгоритм). Сформированные таким образом поля также являются вихревыми и обладают угловым моментом.

Оптический пинцет

Наличие углового момента у спиральных пучков предоставляет возможность создания в области фокусировки заданных распределений интенсивности и орбитального углового момента (ОУМ), что представляет удобный инструмент для бесконтактного манипулирования микрообъектами в электронике и микробиологии.

Эксперимент, позволяющий продемонстрировать возможность передачи ОУМ от светового пучка материальному телу, был проведен в 1995 году на основе так называемого оптического пинцета. Оптические пинцеты используют жестко сфокусированные пучки света для захвата микроскопических частиц в трех измерениях внутри окружающей их жидкости. Манипуляция микроскопическими объектами с помощью оптических пинцетов в настоящее время превратилась в индустрию коммерческого производства пространственных модуляторов света, которые способны генерировать оптические ловушки произвольной формы.

Способность спиральных пучков сохранять форму распределения интенсивности при распространении пучка оказалась полезной и при решении других задач. В 2014 году Нобелевская премия по химии была присуждена Э.Бетцигу, Ш.Хеллю и У.Мернеру "за развитие методов флуоресцентной микроскопии сверхвысокого разрешения" [8]. Один из этих методов, который позволяет преодолеть классический дифракционный предел и определить пространственные координаты излучателей, основан на использовании спиральных пучков [9].

Трехмерная локализация излучателей

В задачах оптической микроскопии источником света являются люминесцентные молекулы, размеры которых намного меньше длины волны. Возможность наблюдения таких частиц с помощью фокусирующей оптики ограничена дифракционным пределом: примерно равным длине волны регистрируемого изображения. Аппроксимация зарегистрированного изображения гауссовым пучком позволяет получить только поперечные координаты точечного источника, третья координата – глубина залегания источника в пленке – остается неизвестной. Кроме того, если пленка достаточно толстая, то на детектор попадает расходящийся световой пучок, и восстановить координаты с приемлемой точностью уже невозможно. Решение этой задачи было предложено коллективом сотрудников, в который входит нобелевский лауреат 2014 года Мернер. Излучение источника можно преобразовать с помощью фазовой маски в двухлепестковое изображение, распределение интенсивности которого будет поворачиваться в поперечной плоскости по мере движения источника. Регистрируя с помощью двумерного детектора эти изображения, по углу поворота распределения интенсивности можно определить глубину залегания точечного источника в пленке. Появляется возможность определить пространственное положение молекул в тонкой пленке и посмотреть спектр каждой из этих молекул (рис.6). Все это можно сделать с помощью спиральных пучков, угол поворота распределения интенсивности которых при распространении пучка достаточно большой (например, π радиан) [10].

Существование световых полей, распределение интенсивности которых поворачивается на угол больше прямого – само по себе необычно (рис.7). Поворот распределения интенсивности на прямой угол мы можем себе объяснить с помощью геометрической оптики. Но можно представить себе, по крайней мере с помощью математики, пучки, в которых этот поворот больше, чем π/2 (например, π). Такой поворот необъясним с точки зрения геометрической оптики, он является более сложным и происходит за счет интерференции определенных областей друг с другом. Этот результат представляет интерес не только с прикладной, но и с фундаментальной точки зрения.

Литература

1. E.Abramochkin and V.Volostnikov. Beam transformations and nontransformed beams. – Optics Comm., 1991, v.83, № 1–2, p.123–135.

2. E.Abramochkin and V.Volostnikov. Spiral-type beams. – Optics Comm., 1993, v.102, № 3–4, p.336–350.

3. Е.Г. Абрамочкин, В.Г. Волостников. Спиральные пучки света. – Успехи физ. наук, 2004, т. 174, № 12, с. 1273–1300.

4. G. Indebetouw. Optical vortices and their propagation. – J. Mod. Optics, 1993, v.40, р. 73–87.

5. A.Ya. Bekshaev, M.S. Soskin, M.V. Vasnetsov. Centrifugal transformation of the transverse structure of freely propagating paraxial light beams. – Optics Letters, 2006, v.31, № 6, р. 694–696.

6. A. Bekshaev, M. Soskin. Rotational transformations and transverse energy ow in paraxial light beams: linear azimuthons. – Optics Letters, 2006, v.31, № 14, p. 2199–2201.

7. T. Alieva, E. Abramochkin, A. Asenjo-Garcia, E. Razueva. Rotating beams in isotropic optical system. – Optics Express, 2010, v.18, № 4, p. 3568–3573.

8. А.В. Наумов. Спектроскопия органических молекул в твердых матрицах при низких температурах: от эффекта Шпольского к лазерной люминесцентной спектро­микро­скопии всех эффективно излучающих одиночных молекул. – Успехи физ. наук, 2013, т. 56, № 6, с. 633–652.

9. S.R.P. Pavani, R. Piestun. High-efficiency rotating point spread functions. – Optics Express., 2008, v.16, № 5, p. 3484–3489.

10. E.V.Razueva, E.G.Abramochkin. Fast rotating spiral light beams. – Proc. of XII Int. Workshop on Quantum Optics (IWQO-2015) (Moscow, Troitsk, August 11–16, 2015), ID 10011 (2 pp.).
 
 Отзывы читателей
Разработка: студия Green Art