Двухлучевая интерферометрия с определённостью знака фазового сдвига

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Агашков А.В. Двухлучевая интерферометрия с определённостью знака фазового сдвига // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 12. С. 3–12. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-12-03-12

Agashkov A.V. Two-beam interferometry with a definitive phase-shift sign [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2022. V. 89. № 12. P. 3–12. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-12-03-12

Ссылка на англоязычную версию:

A. V. Agashkov, "Two-beam interferometry with a definitive phase-shift sign," Journal of Optical Technology. 89(12), 697-703 (2022). https://doi.org/10.1364/JOT.89.000697

Аннотация:

Предмет исследования. В рамках двухлучевой интерферометрии исследовалось направление сдвига интерференционных полос в зависимости от знака локального фазового сдвига, вносимого в одну из интерферирующих волн. Цель работы. Доказательство факта, что двухлучевая интерферометрия на основании одиночной интерферограммы позволяет однозначно получить знак фазового сдвига из направления сдвига интерференционной полосы. Метод. Расчёт положения интерференционных полос и их сдвига проведён на основе учёта фазовых распределений интерферирующих волн в плоскости наблюдения. Экспериментальная проверка полученных теоретических результатов проведена на интерферометре Маха–Цендера. В качестве объекта использовались две рядом расположенных подложки. На часть поверхности одной подложки был нанесён субволновой слой обычного материала, а второй — слой метаматериала. Основные результаты. Получены выражения, определяющие направление и величину смещения интерференционных полос в зависимости от знака и величины локального фазового сдвига в одной из двух интерферирующих волн с плоским или сферическим фронтом. На основании проведённых расчётов сформулированы строгие правила смещения интерференционных полос в зависимости от знака фазового сдвига. Результаты эксперимента на интерферометре Маха–Цендера с различными комбинациями пучков со сферическими и плоскими волновыми фронтами полностью подтвердили теоретические расчёты. Практическая значимость. Традиционные методы интерферометрии требуют значительных затрат времени и применения сложных экспериментальных процедур для определения знака фазового сдвига. Использование полученных в работе результатов позволяет получить знак внесённого локального фазового сдвига на основе одиночной интерферограммы без дополнительных затрат времени, что значительно упрощает методику исследования слоёв метаматериалов субволновой толщины.

Ключевые слова:

двухлучевая интерферометрия, локальный фазовый сдвиг, сдвиг интерференционных полос, субволновой слой, отрицательный показатель преломления

Благодарность:

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований (проект Ф18АЗ-003).

Коды OCIS: 260.3160, 160.3918, 310.6628

Список источников:

1. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1973. 720 с.
2. Rastogi P.K. Holographic interferometry. Berlin: Springer-Verlag, 1994. 329 p.
3. Kreis T. Handbook of holographic interferometry: Optical and digital methods. Weinheim: Wiley-VCH, 2005. 542 p.
4. Sirohi R.S. Optical methods of measurement: Wholefield techniques. N.Y.: CRC Press, 2009. 316 p.
5. Servin M., Quiroga J.A., Padilla J.M. Fringe Pattern analysis for optical metrology: Theory, algorithms, and applications. Weinheim: Wiley-VCH, 2014. 344 p.
6. Servín M., Kujawinska M., Padilla J.M. Modern fringe pattern analysis in interferometry // Handbook of Optical Engineering. Vol. 2 / Eds. D. Malacara, B.J. Thompson. N.Y.: CRC Press, 2018. P. 101–152.

7. Smith D.R., Schultz S., Markos P., Soukoulis C.M. Determination of effective permittivity and permeability of metamaterials from reflection and transmission coefficients // Phys. Rev. B. 2002. V. 65. P. 195104–1951041–5. http://doi.org/ 10.1103/PhysRevB.65.195104.
8. Shalaev V.M., Cai W., Chettiar U.K. et al. Negative index of refraction in optical metamaterials // Opt. Lett. 2005. V. 30. № 24. P. 3356–3358. http://doi.org/10.1364/OL.30.003356.
9. Cai W., Chettiar U.K., Yuan H.-K. et al. Metamagnetics with rainbow colors // Opt. Express. 2007. V. 15. № 6. P. 3333–3341. http://doi.org/10.1364/OE.15.003333.
10. Chettiar U.K., Kildishev A.V., Yuan H.-K. et al. Dual-band negative index metamaterial: double negative at 813nm and single negative at 772nm // Opt. Lett. 2007. V. 32. № 12. http://doi.org/ 10.1364/OL.32.001671.
11. Xiao S., Drachev V.P., Kildishev A.V. et al. Loss-free and active optical negative-index metamaterials // Nature. 2010. V. 466. P. 735–738. http://doi.org/10.1038/nature09278.
12. Grahn P., Shevchenko A., Kaivola M. Interferometric description of optical metamaterials // New J. Phys. 2013. V. 15. P. 113044–113044–13. http://doi.org/ 10.1088/1367-2630/15/11/113044.
13. Agashkov A. Two-beam interferometry for characterizing subwavelength layers with a negative optical path length // Opt. Commun. 2020. V. 462. P. 125306–125306–4. http://doi.org/ 10.1016/j.optcom.2020.125306.
14. Goodman J.W. Introduction to Fourier optics. New York: McGraw-Hill, 1996. 441 p.
15. Fang N., Lee H., Sun C., Zhang X. Subdiffraction-limited optical imaging with a silver superlens // Science. 2005. V. 308. P. 534–537. http://doi.org/10.1126/science.1108759.
16. Wangberg R., Elser J., Narimanov E.E., Podolskiy V.A. Nonmagnetic nanocomposites for optical and infrared negative-refractive-index media // J. Opt. Soc. Am. B. 2006. V. 23 P. 498–505. http://doi.org/10.1364/JOSAB.23.000498.
17. Dionne J.A., Verhagen E., Polman A., Atwater H.A. Are negative index materials achievable with surface plasmon waveguides? A case study of three plasmonic geometries // Opt. Express. 2008. V. 16. № 23. P. 19001–19017. http://doi.org/ 10.1364/OE.16.019001.
18. Pastuszczak A., Stolarek M., Kotyński R. Engineering the point spread function of layered metamaterials // Opto-Electron. Rev. 2013. V. 21. № 4. P. 355–366. http://doi.org/ 10.2478/s11772-013-0106-6.
19. Ott P., Al Shakhs M.H., Lezec H.J., Chau K.J. Flat lens criterion by small-angle phase // Opt. Express. 2014. V. 22. № 24. P. 29340–29355. http://doi.org/10.1364/OE.22.029340.
20. Agashkov A., Belyi V., Binhussain M.A., Kazak N., Agabekov V., Khilo N. Negative phase shift in a layered metal-dielectric structure: theory and experiment // 9th International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics (METAMATERIALS). 7–12 Sept. 2015. P. 592–594. http://doi.org/ 10.1109/MetaMaterials.2015.7342597.
21. Агашков А.В., Казак Н.С. Применение дифференциального поляризационного интерферометра для измерения оптической длины пути в тонких слоях метаматериалов с потерями на отражение и поглощение // Приборы и техника эксперимента. 2019. № 4. С. 84–88. http://doi.org/10.1134/S0032816219040013.
22. Agashkov A.V., Kazak N.S., Agabekov V.E., Alshammari M.S.O, Binhussain M.A. Differential polarization interferometer // Patent US 9778019. 2017.