DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-05-19-28
УДК 535.42
Павел Алексеевич Хорин1*, Светлана Николаевна Хонина2
Институт систем обработки изображений Российской академии наук — филиал Научно-исследовательского центра «Кристаллография и фотоника» Российской академии наук, Самара, Россия
1khorin.pa@ssau.ru https://orcid.org/0000-0002-2248-614X
2khonina@ipsiras.ru https://orcid.org/0000-0001-6765-4373
Аннотация
Предмет исследования. Анализ влияния расположения оптического элемента спиральной формы относительно источника и воздействия некоторых изменений структуры, связанных с ошибками производства и юстировки, на свойства формируемого вихревого пучка в ближней зоне дифракции (на расстоянии около десятка длин волн). Цель работы. Определение влияния некоторых изменений структуры и расположения спирального оптического элемента на свойства вихревого пучка. Метод. Численное моделирование с применением метода конечных разностей во временно€й области действия как линейной, так и нелинейной спиральной фазовой пластинки. Он позволяет учесть реальные особенности 3D структуры исследуемого элемента, связанные с отражением и преломлением на сложной поверхности. Высота и линейность микрорельефа, радиус освещающего пучка, а также его смещения варьируются в ряде численных экспериментов. Основные результаты. В результате исследований показано, что изменение структуры спирального оптического элемента, например внесение нелинейности, приводит к искажению вихревой зависимости фазы и разрыву кольцевой интенсивности формируемого пучка. Однако при этом сохраняется общая стабильность структуры сингулярного пучка, которая полностью разрушается при несоосности освещающего пучка и оптического элемента. Изменение высоты микрорельефа приводит как к изменению топологического заряда, так и формы пучка. Изменение радиуса апертуры гауссова пучка позволяет осуществлять масштабирование формируемых вихревых пучков, а несоосносность относительно центра оптического элемента приводит к потере кольцевой структуры вихревого пучка и его инвариантных свойств. Практическая значимость. Основные результаты работы актуальны при разработке подстраиваемых микроструктур, а также оптических элементов, изготовляемых в фоточувствительных средах. Основными причинами искажения структуры формируемого пучка являются как технологические неточности при травлении, в том числе несоответствие высоты и изменение структуры зон дифракционного оптического элемента, так и погрешности юстировки оптической системы, включая несоосносность освещающего пучка и оптического элемента. Стоит отметить, что характеристики 3D структуры оптического элемента наиболее заметно влияют на картину дифракции именно в ближней зоне.
Ключевые слова: обобщенная спиральная фазовая пластинка, вихревые пучки, ближняя зона дифракции, микроструктура, дифракционный оптический элемент
Благодарность: работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 21-79-20075).
Ссылка для цитирования: Хорин П.А., Хонина С.Н. Влияние отклонений 3D формы спиральной микроструктуры на свойства формируемого вихревого пучка в ближней зоне дифракции // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 5. С. 19–28. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-05-19-28
Коды OCIS: 050.1970, 260.1960
Influence of 3D the helical microstructure shape deviations on the properties of the generated vortex beam in the near diffraction zone
Pavel A. Khorin1*, Svetlana N. Khonina2
Image Processing Systems Institute of the Russian Academy of Sciences — Branch of the Research Center "Crystallography and photonics" of the Russian Academy of Sciences, Samara, Russia
1khorin.pa@ssau.ru https://orcid.org/0000-0002-2248-614X
2khonina@ipsiras.ru https://orcid.org/0000-0001-6765-4373
Abstract
Subject of study. The effect of various deviations of the helical microstructure shape and position associated with manufacturing and alignment errors on the properties of the formed vortex beam in the near diffraction zone (at a distance of about a dozen wavelengths) has been studied. Aim of study is determination of the shape deviations different types influence and the spiral microstructure position on the formed vortex beam properties. Method. Numerical simulation is carried out using the finite-difference time-domain method of both linear and nonlinear spiral phase plate. It allows us to take into account the real features of the 3D structure of the element under study, related to reflection and refraction on a complex surface. The height of the microrelief, the radius of the illuminating beam, and its displacement vary in a number of numerical experiments. Main results. As a result of the research, it was shown that 3D shape deviations of the helical microstructure, for example, the nonlinearity of the relief, leads to a distortion of the vortex dependence of the phase and breaks the annular intensity of the formed beam. However, in this case, the overall stability of the singular beam structure is preserved, which is completely destroyed at the misalignment of the illuminating beam and the optical element. A change in the height of the microrelief leads to a change in both the topological charge and the shape of the beam. As for the influence of the aperture radius of the input Gaussian beam, by changing the aperture radius, it is possible to scale the formed vortex beams. Misalignment in the optical system leads to the loss of the annular structure of the vortex beam and its invariant properties. Practical significance. The obtained results can be useful in applying of adjustable optical elements, as well as microstructures formed in photosensitive media. The main reasons for the distortion of the formed beam structure are both technological inaccuracies during etching, including the height mismatch and changes in the structure of the zones of the diffractive optical element, and alignment errors of the optical system, including the misalignment of the illuminating beam and the optical element. It should be noted that the characteristics of the 3D the optical elements structure most noticeably affect the diffraction pattern in the near zone.
Keywords: generalized spiral phase plate, vortex beams, near diffraction zone, microstructure, diffractive optical element
Acknowledgment: this work was supported by the Russian Science Foundation (grant № 21-79-20075).
For citation: Khorin P.A., Khonina S.N. Influence of 3D the helical microstructure shape deviations on the properties of the generated vortex beam in the near diffraction zone [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 5. P. 19–28. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-05-19-28
OCIS сodes: 050.1970, 260.1960
Список литературы
Coullet P., Gil, L., Rocca, F. Optical vortices // Opt. Commun. 1989. V. 73. P. 403–408. http://doi.org/10.1038/s41377-019-0194-2
1. Khonina S.N., Kotlyar V.V., Shinkaryev M.V., et al. The phase rotor filter // J. Mod. Opt. 1992. V. 39. № 5. P. 1147–1154. https://doi.org/10.1080/09500349214551151
2. Davis J.A., McNamara D.E., Cottrell D.M., et al. Image processing with the radial Hilbert transform: Theory and experiments // Opt. Lett. 2000. V. 25. P. 99–101. https://doi.org/10.1364/OL.25.000099
3. Shen Y., Wang X., Xie Z., et al. Optical vortices 30 years on: OAM manipulation from topological charge to multiple singularities // Light Sci. Appl. 2019. V. 8. P. 90. https://doi.org/10.1038/s41377-019-0194-2
4. Порфирьев А.П., Кучмижак А.А., Гурбатов С.О. и др. Фазовые сингулярности и оптические вихри в фотонике // УФН. 2022. Т. 192. № 8. С. 841–866. http://doi.org/10.3367/UFNr.2021.07.039028
5. Porfirev A.P., Kuchmizhak A.A., Gurbatov S.O., et al. Phase singularities and optical vortices in photonics // Phys. Usp. 2022. V. 192. № 8. P. 841–866. https://doi.org/10.3367/UFNe.2021.07.039028
6. Oemrawsingh S.S.R., Van Houwelingen J.A.W., Eliel E.R., et al. Production and characterization of spiral phase plates for optical wavelengths // Appl. Opt. 2004. V. 43. P. 688–694. https://doi.org/10.1364/AO.43.000688
7. Wang J., Cao A., Zhang M., et al. Study of characteristics of vortex beam produced by fabricated spiral phase plates // IEEE Photon. J. 2016. V. 8. № 2. P. 1. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2016.2540362
8. Sugioka K. and Cheng Ya. Femtosecond laser three-dimensional micro and nanofabrication // 2014. Appl. Phys. Rev. V. 1. P. 041303. https://doi.org/10.1063/1.4904320
9. Yu Y.J., Noh H., Hong M.H., et al. Focusing characteristics of optical fiber axicon microlens for near-field spectroscopy: dependence of tip apex angle // Opt. Commun. 2006. V. 267. № 1. P. 264–270. https://doi.org/10.1016/J.OPTCOM.2006.06.044
10. Žukauskas A., Malinauskas M., Brasselet E. Monolithic generators of pseudo-nondiffracting optical vortex beams at the microscale // Appl. Phys. Lett. 2013. V. 103. № 18. P. 181122. https://doi.org/10.1063/1.4828662
11. Sanchez-Padilla B., Žukauskas A., Aleksanyan A., et al. Wrinkled axicons: shaping light from cusps // Opt. Exp. 2016. V. 24. № 21. P. 24075–24082. https://doi.org/10.1364/OE.24.024075
12. Khonina S.N., Degtyarev S.A., Savelyev D.A., et al. Focused, evanescent, hollow, and collimated beams formed by microaxicons with different conical angles // Opt. Exp. 2017. V. 25. № 16. P. 19052–19064. https://doi.org/10.1364/OE.25.019052
13. Gorelick S., Paganin D.M., Marco A. Axilenses: Refractive micro-optical elements with arbitrary exponential profiles // Appl. Photon. 2020. V. 5. P. 106110. https://doi.org/10.1063/5.0022720
14. Banerji S., Cooke J., and Sensale-Rodriguez B. Impact of fabrication errors and refractive index on multilevel diffractive lens performance // Sci. Rep. 2020. V. 10. P. 14608. https://doi.org/10.1038/s41598-020-71480-2
15. Хонина С.Н., Савельев Д.А., Серафимович П.Г. и др. Дифракция на бинарных микроаксиконах в ближней зоне // Оптический журнал. 2012. Т. 79. № 10. С. 22–29.
Khonina S.N., Savelyev D.A., Serafimovich P.G., et al. Diffraction at binary microaxicons in the near field // J. Opt. Technol. 2012. V. 79. № 10. P. 626–631. https://doi.org/10.1364/JOT.79.000626
16. Degtyarev S.A., Porfirev A.P., and Khonina S.N. Photonic nanohelix generated by a binary spiral axicon // Appl. Opt. 2016. V. 55. № 12. P. B44–B48. https://doi.org/10.1364/AO.55.000B44
17. Khonina S.N., Krasnov S.V., Ustinov A.V., et al. Refractive twisted microaxicons // Opt. Lett. 2020.V. 45. № 6. P. 1334–1337. https://doi.org/10.1364/OL.386223
18. Berry M.V. Optical vortices evolving from helicoidal integer and fractional phase steps // J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 2004. V. 6. P. 259–268. https://doi.org/10.1088/1464-4258/6/2/018
19. Leach J., Yao E., and Padgett M.J. Observation of the vortex structure of a non-integer vortex beam // New J. Phys. 2004. V. 6. P. 71. https://doi.org/10.1088/1367-2630/6/1/071
20. Khonina S.N., Podlipnov V.V., Karpeev S.V., et al. Spectral control of the orbital angular momentum of a laser beam based on 3D properties of spiral phase plates fabricated for an infrared wavelength // Opt. Exp. 2020. V. 28. № 12. P. 18407–18417. https://doi.org/10.1364/OE.396199
21. Korolkov V.P., Nasyrov R.K., Shimansky R.V. Zone-boundary optimization for direct laser writing of continuous-relief diffractive optical elements // Appl. Opt. 2006. V. 45. № 1. P. 53–62. https://doi.org/10.1364/AO.45.000053
22. Korolkov V.P., Nasyrov R.K., Sametov A.R., et al. Optimization of half-tone technology for diffractive microlens fabrication // Proc. SPIE. 2011. V. 7957. P. 795710. https://doi.org/10.1117/12.874432
23. Скиданов Р.В., Хонина С.Н., Морозов А.А. Оптическое вращение микрочастиц в гипергеометрических пучках, сформированных дифракционными оптическими элементами с многоуровневым микрорельефом // Оптический журнал. 2013. Т. 80. № 10. С. 3–8.
Skidanov R.V., Khonina S.N., Morozov A.A. Optical rotation of microparticles in hypergeometric beams formed by diffraction optical elements with multilevel microrelief // J. Opt. Technol. 2013. V. 80. № 10. P. 585–589. https://doi.org/10.1364/JOT.80.000585.
24. Poleshchuk A.G., Korolkov V.P., Veiko V.P., et al. Laser technologies in micro-optics. Part 2. Fabrication of elements with a three-dimensional profile // Optoelectron. Instrument. Proc. 2018. V. 54. № 2. P. 113–126. https://doi.org/10.3103/S8756699018020012
25. Beijersbergen M.W., Coerwinkel R.P.C., Kristensen M., et al. Helical-wavefront laser beams produced with a spiral phaseplate // Opt. Commun. 1994. V. 112. P. 321–327. https://doi.org/10.1016/0030-4018(94)90638-6
26. Sueda K., Miyaji G., Miyanaga N., et al. Laguerre-Gaussian beam generated with a multilevel spiral phase plate for high intensity laser pulses // Opt. Exp. 2004. V. 12. № 15. P. 3548–3553. https://doi.org/10.1364/OPEX.12.003548
27. Watanabe T., Fujii M., Watanabe Y., et al. Generation of a doughnut-shaped beam using a spiral phase plate // Rev. Sci. Instrum. 2004. V. 75. № 12. P. 5131–5135. https://doi.org/10.1063/1.1819555
28. Li P., Liu S., Peng T., et al. Spiral autofocusing Airy beams carrying power-exponent-phase vortices // Opt. Exp. 2014. V. 22. P. 7598–7606. https://doi.org/10.1364/OE.22.007598
29. Lao G., Zhang Z., and Zhao D. Propagation of the power-exponent phase vortex beam in paraxial ABCD system // Opt. Exp. 2016. V. 24. P. 18082–18094. https://doi.org/10.1364/OE.24.018082
30. Khonina S.N., Ustinov A.V., Logachev V.I., et al. Properties of vortex light fields generated by generalized spiral phase plates // Phys. Rev. A. 2020. V. 101. P. 043829. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.101.043829
31. Ustinov A.V., Khonina S.N., Khorin P.A., et al. Control of the intensity distribution along the light spiral generated by a generalized spiral phase plate // JOSA B. 2021. V. 38. № 2. P. 420–427. https://doi.org/10.1364/JOSAB.408884
32. Khorin P.A., Porfirev A.P. Modeling diffraction of a polarized light by three-dimensional nonlinear spiral phase in the near zone // Proc. SPIE. 2021. V. 11846. P. 118460O. https://doi.org/10.1117/12.2588180
33. Khorin P.A., Ustinov A.V. Simulation of the action of a three-dimensional nonlinear spiral phase plate in the near diffraction zone // J. Phys. Conf. Ser. 2020. V. 1695. P. 012165. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1695/1/012165
34. Rozas D., Law C.T., and Swartzlander G.A. Propagation dynamics of optical vortices // JOSA B. 1997. V. 14. P. 3054–3065. https://doi.org/10.1364/JOSAB.14.003054
35. Khonina S.N., Porfirev A.P., Ustinov A.V. Diffraction patterns with mth order symmetry generated by sectional spiral phase plates // J. Opt. 2015. V. 17. P. 125607-8pp. https://doi.org/10.1088/2040-8978/17/12/125607
36. Zhao X., Zhang J., Pang X., et al. Properties of a strongly focused Gaussian beam with an off-axis vortex // Opt. Commun. 2017. V. 389. P. 275–282. https://doi.org/10.1016/J.OPTCOM.2016.12.050
37. Khonina S.N., Ustinov A.V. Focusing of shifted vortex beams of arbitrary order with different polarization // Opt. Commun. 2018. V. 426. P. 359–365. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2018.05.070
38. Rotschild C., Zommer S., Moed S., et al. Adjustable spiral phase plate // Appl. Opt. 2004. V. 43. P. 2397–2399. https://doi.org/10.1364/AO.43.002397
39. Ojeda-Castaneda J., Ledesma S., and Gómez-Sarabia C.M. Tunable apodizers and tunable focalizers using helical pairs // Photon. Lett. Pol. 2013. V. 5. P. 20–22. https://doi.org/10.4302/PHOTON
40. Grewe A. and Sinzinger S. Efficient quantization of tunable helix phase plates // Opt. Lett. 2016. V. 41. P. 4755–4758. https://doi.org/10.1364/OL.41.004755
41. Priimagi A., Shevchenko A. Azopolymer-based micro- and nanopatterning for photonic applications // J. Polym. Sci. B. Polym. Phys. 2014. V. 52. P. 163–182. https://doi.org/10.1002/POLB.23390
42. Syubaev S., Zhizhchenko A., Vitrik O., et al. Chirality of laser-printed plasmonic nanoneedles tunable by tailoring spiralshape pulses // Appl. Surf. Sci. 2019. V. 470. P. 526–534. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.11.128
43. Porfirev A.P., Khonina S.N., Ivliev N.A., et al. Writing and reading with the longitudinal component of light using carbazole-containing azopolymer thin films // Sci. Rep. 2022. V. 12. P. 3477 (12 pp). https://doi.org/10.1038/s41598-022-07440-9
44. Bian S., Williams J.M., Kim D.Y., et al. Photoinduced surface deformations on azobenzene polymer films // J. Appl. Phys. 1999. V. 86. № 8. P. 4498–4508. https://doi.org/10.1063/1.371393
45. Poplipnov V.V., Ivliev N.A., Khonina S.N., et al. Investigation of photoinduced formation of microstructures on the surface of carbaseole-containing azopolymer depending on the power density of incident beams // Comput. Opt. 2018. V. 42 № 5. P. 779–785. https://doi.org/10.18287/2412-6179-2018-42-5-779-785
46. Porfirev A.P., Khonina S.N., Khorin P.A., et al. Polarization-sensitive direct laser patterning of azopolymer thin films with vortex beams // Opt. Lett. 2022. V. 47. № 19. P. 5080–5083. https://doi.org/10.1364/OL.471236.
