ITMO
en/ en

ISSN: 1023-5086

en/

ISSN: 1023-5086

Научно-технический

Оптический журнал

Полнотекстовый перевод журнала на английский язык издаётся Optica Publishing Group под названием “Journal of Optical Technology“

Подача статьи Подать статью
Больше информации Назад

DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-05-19-28

УДК: 535.42

Влияние отклонений 3D формы спиральной микроструктуры на свойства формируемого вихревого пучка в ближней зоне дифракции

Хорин П.А., Хонина С.Н.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

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     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
Ссылка на англоязычную версию:
Pavel A. Khorin and Svetlana N. Khonina, "Influence of 3D helical microstructure shape deviations on the properties of a vortex beam generated in the near diffraction zone," Journal of Optical Technology. 90(5), 236-241 (2023)
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

Коды OCIS: 050.1970, 260.1960

Список источников:
  1. Coullet P., Gil, L., Rocca, F. Optical vortices // Opt. Commun. 1989. V. 73. P. 403–408. http://doi.org/10.1038/s41377­019­0194­2
  2. 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
  3. 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
  4. 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/s41377­019­0194­2
  5. 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. 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 three­dimensional 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 near­field 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 pseudo­nondiffracting optical vortex beams at the microscale // Appl. Phys. Lett. 2013. V. 103. № 18. P. 181122. https://doi.org/10.1063/1.4828662
  11. Sanchez­Padilla 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 micro­optical 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 Sensale­Rodriguez 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/s41598­020­71480­2
  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/10.1088/1464­4258/6/2/018
  19. Leach J., Yao E., and Padgett M.J. Observation of the vortex structure of a non­integer vortex beam // New J. Phys. 2004. V. 6. P. 71. https://doi.org/10.1088/1367­2630/6/1/071
  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. Zone­boundary optimization for direct laser writing of continuous­relief 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 half­tone 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 micro­optics. Part 2. Fabrication of elements with a three­dimensional 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. Helical­wavefront laser beams produced with a spiral phaseplate // Opt. Commun. 1994. V. 112. P. 321–327. https://doi.org/10.1016/0030­4018(94)90638­6
  26. Sueda K., Miyaji G., Miyanaga N., et al. Laguerre­Gaussian 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 doughnut­shaped 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 power­exponent­phase 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 power­exponent 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 three­dimensional 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 three­dimensional nonlinear spiral phase plate in the near diffraction zone // J. Phys. Conf. Ser. 2020. V. 1695. P. 012165. https://doi.org/10.1088/1742­6596/1695/1/012165
  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. 125607­8pp. https://doi.org/10.1088/2040­8978/17/12/125607
  36. Zhao X., Zhang J., Pang X., et al. Properties of a strongly focused Gaussian beam with an off­axis 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. Ojeda­Castaneda J., Ledesma S., and Gómez­Sarabia 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. Azopolymer­based 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 laser­printed 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 carbazole­containing azopolymer thin films // Sci. Rep. 2022. V. 12. P. 3477 (12 pp). https://doi.org/10.1038/s41598­022­07440­9
  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 carbaseole­containing azopolymer depending on the power density of incident beams // Comput. Opt. 2018. V. 42 № 5. P. 779–785. https://doi.org/10.18287/2412­6179­2018­42­5­779­785
  46. Porfirev A.P., Khonina S.N., Khorin P.A., et al. Polarization­sensitive 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.