Численный анализ распределения интенсивности вдоль оптической оси для непараксиальных дифракционных линз

Ссылка для цитирования:

Дюкарева О.А., Устинов А.В. Численный анализ распределения интенсивности вдоль оптической оси для непараксиальных дифракционных линз // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 5. С. 89–98. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-05-89-98

Dyukareva O.A., Ustinov A.V. Numerical analysis of intensity distribution along the optical axis for non-paraxial diffractive lenses [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 5. P. 89–98. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-05-89-98

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Продольные и поперечные распределения интенсивности пучков при дифракции лазерного излучения на параболических, сферических дифракционных линзах, аксиконах. Цель работы. Определение влияния входных параметров линз в непараксиальной области на ормируемое распределение интенсивности для генерации пучка с заданными свойствами при различных типах поляризации. Метод. Численный анализ интегралов Френеля и Рэлея–Зоммерфельда первого типа с использованием квадратурных формул с применением параллельного вычисления на графическом устройстве. Основные результаты. В зависимости от числовой апертуры профиль дифракционных непараксиальных линз может быть близким к профилю аксикона или параболической линзы с соответствующим фокусным расстоянием и обеспечением формирования пика интенсивности. Однородные типы поляризации позволяют формировать осевой максимум интенсивности за счет x- и y- компонент электрического поля, при радиальной поляризации он обеспечивается доминирующим влиянием продольной компоненты. Для азимутальной поляризации возможно формирование осевого фокуса за счет поперечных компонент при внесении во входное поле вихревой фазы. Практическая значимость. Полученные результаты могут быть полезны для расчета оптических элементов, обеспечивающих вариации поляризационных и фазовых характеристик электромагнитного поля, что расширяет средства воздействия лазерного излучения на вещество и управление лазерной обработкой и структурированием
материалов.

Ключевые слова:

непараксиальная линза, параболическая линза, аксикон, преобразование Рэлея–Зоммерфельда, поляризация

Благодарность:

исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 22-79-10007) в части численного моделирования, а также в рамках Государственного задания НИЦ «Курчатовский институт» в теоретической части

Коды OCIS: 050.1970, 260.1960

Список источников:

1. Herzig H.P. Micro-optics : Elements, systems and applications. CRC Press, 1997. 600 p. https://doi.org/10.1201/9781482272802
2. Zappe H. Micro-optics: A micro-tutorial // Adv. Opt. Technol. 2012. V. 1. № 3. P. 117–126. https://doi.org/10.1515/aot-2012-0016
3. Zhang Q., He Z., Xie Z., et al. Diffractive optical elements 75 years on: From micro-optics to metasurfaces // Photon. Insights. 2023. V. 2. № 4. P. R09. https://doi.org/10.3788/PI.2023.R09
4. Khonina S.N., Kazanskiy N.L., Butt M.A. Exploring diffractive optical elements and their potential in free space optics and imaging — A comprehensive review // Laser Photon. Rev. 2024. P. 2400377. https://doi.org/ 10.1002/lpor.202400377
5. Khonina S.N., Kazanskiy N.L., Skidanov R.V., et al. Advancements and applications of diffractive optical elements in contemporary optics: A comprehensive overview // Adv. Mater. Technol. 2024. P. 2401028. https://doi.org/10.1002/admt.202401028
6. Gao D., Ding W., Nieto-Vesperinas M., et al. Optical manipulation from the microscale to the nanoscale: Fundamentals, advances and prospects // Light: Sci. & Applicat. 2017. V. 6. № 9. P. e17039. https://doi.org/ 10.1038/lsa.2017.39
7. Oscurato S.L., Reda F., Salvatore M., et al. Shapeshifting diffractive optical devices // Laser & Photon. Rev. 2022. V. 16. P. 2100514. https://doi.org/10.1002/lpor. 202100514
8. Porfirev A., Khonina S., Kuchmizhak A. Light-matter interaction empowered by orbital angular momentum: Control of matter at the micro-and nanoscale // Progress in Quant. Electron. 2023. V. 88. P. 100459. https://doi.org/10.1016/j.pquantelec.2023.100459
9. 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
10. Порфирьев А.П., Скиданов Р.В. Оптический захват и манипулирование светопоглощающими частицами с помощью лазерного пучка Эрмита–Гаусса // Оптический журнал. 2015. Т. 82. № 9. С. 16–21.
Porfiriev A.P., Skidanov R.V. Optical trapping and manipulation of light-absorbing particles by means of a Hermite–Gaussian laser beam // J. Opt. Technol. 2015. V. 82. № 9. P. 587–591. https://doi.org/10.1364/JOT.82.000587
11. Balthazar W.F., Huguenin J.A.O. Conditional operation using three degrees of freedom of a laser beam for application in quantum information // JOSA B. 2016. V. 33. P. 1649–1654. https://doi.org/10.1364/JOSAB. 33.001649
12. Wang J. Twisted optical communications using orbital angular momentum // Sci. China: Phys. Mech. Astron. 2019. V. 62. № 3. P. 342011. https://doi.org/10.1007/ s11433-018-9260-8
13. Häusler A., Hummel M. Extending the degrees of freedom in laser beam microwelding // Photonics Views. 2022. V. 19. P. 87–89. https://doi.org/10.1002/phvs. 202200019
14. Fazea Y., Mezhuyev V. Selective mode excitation techniques for mode-division multiplexing: A critical review // Opt. Fiber Technol. 2018. V. 45. P. 280–288. https://doi.org/10.1016/j.yofte.2018.08.004
15. Jiang W.F., Miao J.Y., Li T. Compact silicon 10-mode multi/demultiplexer for hybrid mode- and polarisationdivision multiplexing system // Sci. Rep. 2019. V. 9. P. 13223. https://doi.org/10.1038/s41598-019-49763-0
16. Kazanskiy N.L., Khonina S.N., Karpeev S.V., et al. Diffractive optical elements for multiplexing structured laser beams // Quant. Electron. 2020. V. 50. № 7. P. 629–635. https://doi.org/10.1070/QEL17276
17. Khonina S.N., Kotlyar V.V., Soifer V.A. Fast Hankel transform for focusator synthesis // Optik. 1991. V. 88. № 4. P. 182–184.
18. Zhang D.W., Yuan X.-C., Ngo N.Q., et al. Fast Hankel transform and its application for studying the propagation of cylindrical electromagnetic fields // Opt. Exp. 2002. V. 10. № 12. P. 521–525. https://doi.org/10.1364/OE.10.000521
19. Veerman J.A.C., Rusch J.J., Urbach, P.H. Calculation of the Rayleigh–Sommerfeld diffraction integral by exact integration of the fast oscillating factor // JOSA A. 2005. V. 22. № 4. P. 636–646. https://doi.org/ 10.1364/josaa.22.000636
20. Khonina S.N., Ustinov A.V., Kovalyov A.A., et al. Near-field propagation of vortex beams: Models and computation algorithms // Optical Memory and Neural Networks (Allerton Press). 2014. V. 23. № 2. P. 50–73. https://doi.org/10.3103/S1060992X14020027
21. Хонина С.Н., Устинов А.В., Скиданов Р.В. и др. Сравнительное исследование спектральных свойств асферических линз [in Russian] // Компьютерная оптика. 2015. Т. 39. № 3. С. 363–369. https://doi. org/10.18287/0134-2452-2015-39-3-363-369
Khonina S.N., Ustinov A.V., Skidanov R.V., et al. Comparative study of spectral properties of aspherical lenses // Computer Optics. 2015. V. 39. № 3. P. 363–369. https://doi.org/10.18287/0134-2452-2015-39-3-363-239
22. Rao L., Pu J., Chen Z., et al. Focus shaping of cylindrically polarized vortex beams by a high numerical-aperture lens // Opt. Laser Technol. 2009. V. 41. P. 241–246. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2008.06.012
23. Khonina S.N. Vortex beams with high-order cylindrical polarization: Features of focal distributions // Appl. Phys. B. 2019. V. 125. P. 100. https://doi.org/10.1007/s00340-019-7212-1