Влияние аберраций волнового фронта на функцию рассеяния точки при острой фокусировке для различных типов однородной поляризации

Ссылка для цитирования:

Хорин П.А., Черных А.В., Хонина С.Н. Влияние аберраций волнового фронта на функцию рассеяния точки при острой фокусировке для различных типов поляризации // Оптический журнал. 2026. Т. 93. № 3. С. 15–23. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-03-15-23

Khorin P.A., Chernykh A.V., Khonina S.N. Effect of wavefront aberrations on the point spread function at sharp focusing for different types of homogeneous polarization [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2026. V. 93. № 3. P. 15–23. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-03-15-23

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Аберрации волнового фронта при острой фокусировке для различных типов однородной поляризации (линейной и круговой). Цель работы. Определение влияния волновых аберраций при острой фокусировке на размер фокального пятна. Метод. Проведено моделирование влияния аберраций волнового фронта при острой фокусировке лазерного излучения в приближении Дебая. Рассмотрены однородные типы поляризации (линейная и круговая) в присутствии искажений волнового фронта, описываемого функциями Цернике до 4-го порядка. Объективными критериями являются максимальная интенсивность, поперечный и продольный размеры, а также степень асимметрии, в зависимости от значения и вида аберрационных искажений. Основные результаты. Показано, что управляемая аберрация в ряде случаев способствует уменьшению размера пятна в фокусе. Результаты моделирования острой фокусировки полей с однородной поляризацией (линейной и круговой) показали, что аберрации низкого порядка (меридианный индекс не более 2) позволяют сформировать в одной из компонент электрического поля компактное центральное фокальное пятно. Аберрации высших порядков смещают энергию из центра фокуса, искажая распределение интенсивности. Практическая значимость. Полученные результаты значимы для задач высокоточной оптики, включая микроскопию, лазерную обработку и адаптивные системы, а также применимы для оптимизации фокусировки и снижения аберраций в реальных оптических установках.

Ключевые слова:

волновые аберрации, полиномы Цернике, острая фокусировка, однородная поляризация (линейная и круговая)

Коды OCIS: 050.1970, 260.1960

Список источников:

1. Graydon O. Tight focusing // Nature Photon. 2018. V. 12. № 5. P. 254–254. https://doi.org/10.1038/s41566-018-0171-y
2. Khonina S.N. Vortex beams with high-order cylindrical polarization: Features of focal distributions // Appl. Phys. B. 2019. V. 125. № 6. P. 100. https://doi.org/10.1007/s00340-019-7212-1
3. Zhang Q., Zhang Y., Zhou Y., et al. Reactive helicity and momentum of tightly focused hybrid polarized vector beams // J. Opt. 2025. V. 27. № 5. P. 055403. https://doi.org/10.1088/2040-8986/add1ec
4. Khonina S.N., Degtyarev S.A., Ustinov A.V., et al. Metalenses for the generation of vector Lissajous beams with a complex Poynting vector density // Opt. Exp. 2021. V. 29. № 12. P. 18634. https://doi.org/10.1364/OE.428453
5. Alkelly A.A., Al-Ahsab H.T., Cheng M., et al. Tight focusing of azimuthally polarized Laguerre–Gaussian vortex beams by diffractive axicons // Phys. Scr. 2024. V. 99. № 2. P. 025508. http://doi.org/10.1088/1402-4896/ad1958
6. Stafeev S.S., Pryamikov A.D., Alagashev G.K., et.al. Reverse energy flow in vector modes of optical fibers // Computer Opt. 2023. V. 47. № 1. http://doi.org/10.18287/2412-6179-CO-1229
7. Khonina S.N., Degtyarev S.A., Porfirev A.P. Control of the distribution of spin angular momentum density in optical vortex beams with partially transformed cylindrical polarization // Phys. Lett. A. 2025. V. 541. P. 130418. https://doi.org/10.1016/j.physleta.2025.130418
8. Salamin Y.I., Keitel C.H. Electron acceleration by a tightly focused laser beam // Phys. Rev. Lett. 2002. V. 88. № 9. P. 095005. https://doi.org/10.1103/physrevlett.88.095005
9. Xue Y., Wang Y., Zhou S., et al. Focus shaping and optical manipulation using highly focused second-order full Poincaré beam // JOSA. A. 2018. V. 35. № 6. P. 953. https://doi.org/10.1364/josaa.35.000953
10. Porfirev A., Khonina S., Kuchmizhak A. Light-matter interaction empowered by orbital angular momentum: Control of matter at the micro- and nanoscale // Progress in Quantum Electronics. 2023. V. 88. P. 100459. https://doi.org/10.1016/j.pquantelec.2023.100459
11. Khonina S.N., Alferov S.V., Karpeev S.V. Strengthening the longitudinal component of the sharply focused electric field by means of higher-order laser beams // Opt. Lett. 2013. V. 38. № 17. P. 3223. https://doi.org/10.1364/OL.38.003223
12. So S., Kim M., Lee D., et al. Overcoming diffraction limit: From microscopy to nanoscopy // Appl. Spectrosc. Rev. 2018. V. 53. № 2–4. P. 290–312. https://doi.org/10.1080/05704928.2017.1323309
13. Chen W., Zhan Q. Diffraction limited focusing with controllable arbitrary three-dimensional polarization // J. Opt. 2010. V. 12. № 4. P. 045707. https://doi.org/10.1088/2040-8978/12/4/045707
14. Pereira S.F., Van De Nes A.S. Superresolution by means of polarisation, phase and amplitude pupil masks // Opt. Commun. 2004. V. 234. № 1–6. P. 119–124. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2004.02.020
15. Wang H., Sheppard C.J.R., Ravi K., et al. Fighting against diffraction: Apodization and near field diffraction structures // Laser & Photon. Rev. Photonics Reviews. 2012. V. 6. № 3. P. 354–392. https://doi.org/10.1002/lpor.201100009
16. Khonina S.N., Ustinov A.V., Pelevina E.A. Analysis of wave aberration influence on reducing focal spot size in a high-aperture focusing system // J. Opt. 2011. V. 13. № 9. P. 095702. https://doi.org/10.1088/2040-8978/13/9/095702
17. Zapata-Rodríguez C.J. Debye representation of dispersive focused waves // JOSA A. 2007. V. 24. № 3. P. 675. https://doi.org/10.1364/JOSAA.24.000675
18.Khonina S.N., Ustinov A.V., Volotovsky S.G. Comparison of focusing of short pulses in the Debye approximation // Computer Opt. 2018. V. 42. № 3. P. 432–446. https://doi.org/10.18287/2412-6179-2018-42-3-432-446
19. Khorin P.A., Dzyuba A.P., Khonina S.N. Optical wavefront aberration: Detection, recognition, and compensation techniques – a comprehensive review // Optics & Laser Technol. 2025. V. 191. P. 113342. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2025.113342
20. Lakshminarayanan V., Fleck A. Zernike polynomials: A guide // J. Modern Opt. 2011. V. 58. № 7. P. 545–561. https://doi.org/10.1080/09500340.2011.554896
21. Khonina S.N., Savelyev D.A. High-aperture binary axicons for the formation of the longitudinal electric field component on the optical axis for linear and circular polarizations of the illuminating beam // J. Exp. Theor. Phys. 2013. V. 117. № 4. P. 623–630. https://doi.org/10.1134/S1063776113120157
22. Betzig E., Trautman J.K., Harris T.D., et al. Breaking the diffraction barrier: Optical microscopy on a nanometric scale // Science. 1991. V. 251. № 5000. P. 1468–1470. https://doi.org/10.1126/science.251.5000.1468
23. Khonina S.N., Ponomareva E.D., Butt M.A. Study of superoscillating functions application to overcome the diffraction limit with suppressed sidelobes // Optics. 2021. V. 2. № 3. P. 155–168. https://doi.org/10.3390/opt2030015
24. Носов П.А., Морозов А.И., Мачихин А.С. Оптический метод бесконтактного контроля качества изготовления аксиконов // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 7. С. 62–70. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-07-62-70
Nosov P.A., Morozov A.I., Machikhin A.S. Optical method for non-contact quality control of axicons // J. Opt. Technol. 2024. V. 91. № 7. P. 474. https://doi.org/10.1364/JOT.91.000474