Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Формирование неоднородно-поляризованных лазерных пучков с помощью оптических систем, включающих ДОЭ 17
1.1 Обзор методов формирования неоднородно-поляризованных лазерных пучков 17
1.2 Поляризационные конверторы на основе сложения линейно поляризованных пучков 19
1.3 Поляризационные конверторы на основе сложением двух пучков с противоположными круговыми поляризациями 27
1.4 Преобразователи поляризации на основе секторных пластин 34
1.5 Поляризационные преобразователи на основе двулучепреломляющего кристалла 38
1.5.1 Распространение лазерных пучков с осевой симметрией вдоль оси кристалла 38
1.5.2 Экспериментальное исследование поляризационных преобразований в одноосных кристаллах 45
1.6 Выводы к первой главе 50
Глава 2. Исследование распределения компонент электрического поля в остросфокусированных пучках с различными поляризациями 52
2.1 Обзор методов исследования распределения компонент электрического поля в остросфокусированных пучках 52
2.2 Исследование остросфокусированных распределений интенсивности с помощью конфокальной микроскопии 55
2.3 Исследования поляризационной чувствительности СБОМ на основе применения фазовой пластинки 58
2.4 Исследование остросфокусированных пучков высоких порядков с радиальной и азимутальной поляризациями с помощью СБОМ 65
2.5 Исследование фокусировки неоднородно-поляризованных пучков, сформированных при помощи секторных пластин 72
2.6 Выводы ко второй главе 74
Глава 3. Управление вкладом компонент электрического поля в фокальной области на основе применения ДОЭ 76
3.1 О возможности применения фокусирующих ДОЭ для управление вкладом компонент электрического поля в фокальной области 76
3.2 Фокусировка различными типами аксиконов излучения с линейной и круговой поляризациями 77
3.3 Фокусировка различными типами аксиконов радиальной и азимутальной поляризации 85
3.4 Фокусировка пучков, сформированных секторными пластинками, дифракционным аксиконом с умеренной числовой апертурой 89
3.5 Выводы к третьей главе 94
Заключение 96
Список использованных источников
- Поляризационные конверторы на основе сложением двух пучков с противоположными круговыми поляризациями
- Распространение лазерных пучков с осевой симметрией вдоль оси кристалла
- Исследования поляризационной чувствительности СБОМ на основе применения фазовой пластинки
- Фокусировка различными типами аксиконов радиальной и азимутальной поляризации
Введение к работе
Актуальность. Развитие нанотехнологий требует новых методов формирования и исследования световых полей с субволновыми размерами областей локализации энергии. Подобные задачи характеризуются непараксиальным распространением света и невозможностью применения скалярного приближения. На первый план выходит распределение энергии электрического поля по компонентам и, как следствие, поляризационные характеристики излучения. Поля-ризационно-неоднородные лазерные пучки находят свое применение в таких приложениях как острая фокусировка, ускорение электронов, микроэлипсомет-рия, сверхразрешение. Острая фокусировка пучков с неоднородной поляризацией (Kozawa Y., 2007) является одним из наиболее перспективных подходов к преодолению дифракционного предела в оптике. При радиальной поляризации в этом случае в фокусе возникает мощная продольная компонента электрического поля (Lerman G.M., 2008). Именно этот факт стал толчком к разработке новых методов формирования поляризационно-неоднородных лазерных пучков. Также при острой фокусировке пучков с неоднородной поляризацией определенные преимущества дают модовые пучки высоких порядков.
Хорошо известен метод формирования пучков с радиальной и азимутальной поляризацией, основанный на применении секторных пластинок, в которых сектора представляют собой соответствующим образом ориентированные либо полуволновые пластинки (Machavariani, 2007), либо пленочные поляризаторы (Zhongsheng Man, 2013). Однако такой метод требует применения пространственной фильтрации полученного пучка для устранения негативного влияния границ секторов, что приводит к дополнительным потерям энергии. Актуальным является вопрос выбора областей применимости данного метода, где указанные недостатки не играют решающей роли.
Другая группа методов основана на когерентной суперпозиции пары обычных мод с помощью интерферометра (Tidwell S.C., 1993). Исходные моды получают разными способами, причем одним из наиболее перспективных является вариант получения исходных мод при помощи дифракционных оптических элементов (ДОЭ). В работе (Niu C.H., 2005) предложен специальный ДОЭ, выполненный на подложке из двулучепреломляющего материала. В качестве недостатков метода следует, прежде всего, отметить высокую сложность изготовления такого многоуровневого ДОЭ. Весьма перспективным является вариант получения неоднородно-поляризованных мод (Tidwell S.C., 1990), который основан на суммировании двух пучков с правой и левой круговыми поляризациями и фазовыми сингулярностями противоположных знаков. Применение ДОЭ даёт возможность получения радиально-поляризованных мод более высоких порядков без дополнительных оптических элементов. Таким образом, задача разработки новых оптических систем, включающих ДОЭ для поляризационно-модовых преобразований, в том числе мод высоких порядков, представляется актуальной.
Из этой задачи следует другая, а именно, задача исследования распределения компонент электрического поля при острой фокусировке пучков с различ-
ными поляризационными состояниями. Применяют методы флюоресценции молекул с дипольным моментом (Beversluis, 2001), оптического ножа (Dorn R., 2003), но наиболее универсальным средством исследования распределений интенсивности электромагнитного излучения с субволновым разрешением является метод ближнепольной микроскопии с апертурным металлизированным волоконным зондом. При этом актуальной является задача исследования поляризационной чувствительности таких зондов.
Другой известный подход к проблеме достижения сверхразрешения состоит в использовании как рефракционных (Kalosha V.P., 2007), так и дифракционных (Котляр В.В., 2009) аксиконов. Широкие возможности, которые не исчерпываются известными работами, дает применение различных типов дифракционных аксиконов совместно с различно поляризованными пучками. Кроме уменьшения центрального пятна, и формирования продольной компоненты, можно назвать также формирование разного рода провалов (dark spot) в фокальной зоне. Все это делает актуальным экспериментальное формирование требуемых распределений электрического поля в фокальной плоскости путем реализации новых сочетаний разных типов фокусирующих ДОЭ с различно поляризованными освещающими пучками.
Цель диссертационной работы:
Экспериментальная реализация поляризационно-модовых преобразований на основе применения ДОЭ для управления распределением компонент электрического поля остросфокусированных лазерных пучков.
Задачи:
-
Разработать оптические схемы формирования неоднородно-поляризованных лазерных пучков высоких порядков с помощью оптических систем, включающих ДОЭ.
-
Экспериментально исследовать поляризационную чувствительность ближнепольных металлизированных зондов.
-
Исследовать распределения компонент электрического поля в остросфокусированных пучках различных мод с различными поляризациями методами ближнепольной микроскопии с помощью металлизированных волоконных зондов.
-
Экспериментально осуществить управление вкладом компонент электрического поля в фокальной плоскости с помощью новых сочетаний разных типов фокусирующих ДОЭ с различно поляризованными освещающими пучками.
Научная новизна работы:
1. Предложен и экспериментально реализован метод формирования
модовых пучков высоких порядков с радиальной и азимутальной поляризациями на основе сложения пучков с круговыми поляризациями и фазовыми сингулярностями противоположных знаков, полученных при помощи ДОЭ. На выходе оптической системы при помощи двух различных ДОЭ получены радиально- и азимутально-поляризованные пучки Лагерра-Гаусса (ЛГ) (3,0) и
пучки Бесселя нулевого порядка. Для амплитудных ДОЭ экспериментально получена энергетическая эффективность 7% в каждом из одновременно формируемых двух пучков с радиальной и азимутальной поляризацией. Также экспериментально реализован метод формирования радиально- и азимутально-поляризованных пучков Лагерра-Гаусса (3,0) внутри двулучепреломляю-щего кристалла в разных фокусах, соответствующих обыкновенным и необыкновенным лучам.
-
Разработан метод экспериментального исследования чувствительности ближнепольного металлизированного зонда к различным компонентам электрического поля на основе применения фазовой пластинки со ступенчатым профилем, дающим сдвиг на . При помощи разработанного метода определено значительное преобладание чувствительности к продольной компоненте электрического поля для ближнепольного зонда с апертурой 50-100 нм. Обнаружено существенное перераспределение чувствительности в пользу поперечных компонент и общий рост чувствительности при увеличении на порядок размера апертуры зонда.
-
Экспериментально доказано усиление продольной компоненты и уменьшение размера центрального пятна, при фокусировке радиально-поляризованного пучка Лагерра-Гаусса (3,0) и пучка Бесселя нулевого порядка при числовой апертуре (NA) 0,8 по сравнению с фокусировкой ради-ально-поляризованной низшей гауссовой моды. Дискретность измерения составляла ±20нм (0,03 для волны 633 нм) и определялась конструкцией пъе-зоэлектрического привода. Ширина по полуспаду интенсивности (FWHM) центрального пятна пучка Лагерра-Гаусса (3,0) согласуется с результатами моделирования для NA=0,8 и составляет 0,85±0,03 против 1,2±0,03 у пучка Бесселя, при этом относительная интенсивность боковых лепестков пучка Лагерра-Гаусса (3,0) около 0,25, а у пучка Бесселя около 0,11.
-
Улучшены результаты фокусировки осесимметричным аксиконом пучков с линейной, круговой, радиальной и азимутальной поляризациями путем сочетания модифицированных аксиконов с различно поляризованными пучками. Так, при фокусировке биаксиконом экспериментально доказано наличие продольной компоненты электрического поля в центре пучка для линейной и круговой поляризации падающего излучения, причем для линейной и круговой поляризации пятно состоит преимущественно из продольной компоненты и ширина по полуспаду интенсивности для продольной компоненты (FWHMz) не превышает 0,32±0,03 для NA=0,95, в то время как у осесим-метричного аксикона размер пятна 0,41-0,67±0,03 в зависимости от поляризации. Показана возможность регулировки вклада продольной компоненты электрического поля на оптической оси при линейной поляризации падающего на биаксикон излучения путем вращения оптического элемента. При фокусировке спиральным аксиконом излучения с круговой поляризацией, совпадающей по направлению вращения с фазовым вихрем, центральное пятно уменьшается в размере по сравнению с осесимметричным аксиконом с FWHM=0,67±0,03 до FWHM=0,37±0,03. При освещении осесимметрич-
ного аксикона пучком с радиальной поляризацией на оптической оси формируется круглое пятно (FWHMz=0,38±0,03), состоящее преимущественно из продольной компоненты, а при освещении спирального аксикона пучком с азимутальной поляризацией формируется круглое пятно близких размеров (FWHM=0,37±0,03), состоящее в основном из поперечных компонент электрического поля.
Практическая значимость:
Полученные и исследованные в диссертации методы и оптические схемы формирования пучков с радиальной и азимутальной поляризацией, а также апробированные сочетания элементов фокусирующей оптики с различно поляризованными пучками могут применяться при лазерной обработке материалов, ускорении электронов, а также других практических задачах, связанных с необходимостью управления распределением компонент остросфоку-сированных пучков лазерного излучения.
На публичную защиту выносятся следующие положения:
-
Возможно формирование радиально- и азимутально-поляризованных пучков Лагерра-Гаусса (3,0) и Бесселя нулевого порядка с радиальной и азимутальной поляризациями на основе сложения пучков с круговыми поляризациями и фазовыми сингулярностями противоположных знаков, полученных при помощи ДОЭ, а также формирование радиально- и азимутально-поляризованного пучка Лагерра-Гаусса (3,0) внутри двулучепре-ломляющего кристалла в фокусах, соответствующих обыкновенным и необыкновенным лучам.
-
Пластинка с фазовым скачком, дающим сдвиг на , позволяет исследовать чувствительность ближнепольного металлизированного зонда к различным компонентам электрического поля. Для ближнепольного зонда с апертурой 50-100 нм преобладает чувствительность к продольной компоненте. При увеличении на порядок размера апертуры зонда на фоне общего роста чувствительности происходит ее перераспределение в пользу поперечных компонент.
-
При острой фокусировке безимерсионным микрообъективом с NA=0,8 радиально-поляризованных пучка Лагерра-Гаусса (3,0) и пучка Бесселя нулевого порядка происходит усиление продольной компоненты и уменьшение центрального пятна по сравнению с фокусировкой радиально-поляризованной низшей гауссовой моды. При этом центральное пятно пучка Лагерра-Гаусса (3,0) составляет 0,85 против 1,2 у пучка Бесселя, относительная интенсивность боковых лепестков пучка Лагерра-Гаусса (3,0) составляет около 0,25, а у пучка Бесселя 0,11.
-
При острой фокусировке биаксиконом линейно- и циркулярно-поляризованного излучения в центре пучка присутствует продольная компонента электрического поля, причем при линейной поляризации падающего излучения ее вклад можно менять вращением биаксикона. При фокусировке (NA=0,95) спиральным аксиконом излучения с круговой поляризацией, совпадающей по направлению вращения с фазовым вихрем, центральное пятно
уменьшается в размере по сравнению с осесимметричным аксиконом с FWHM = 0,67±0,03 до FWHM = 0,37±0,03. При освещении осесиммет-ричного аксикона пучком с радиальной поляризацией на оптической оси формируется круглое пятно (FWHM=0,38±0,03), состоящее преимущественно из продольной компоненты, а при освещении спирального аксикона пучком с азимутальной поляризацией формируется круглое пятно близких размеров (FWHM=0,37±0,03), состоящее в основном из поперечных компонент электрического поля.
Достоверность полученных результатов:
Достоверность полученных результатов подтверждается соответствием результатов расчетов и моделирования экспериментальным данным.
Авторский вклад:
Все результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично, либо при его определяющем личном участии.
Публикации:
По материалам диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе 13 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 4 статьи в сборниках трудов конференций.
Апробация работы:
Основные результаты работы докладывались на международных и всероссийских конференциях, в том числе: Четвертая Всероссийская молодежная конференция «Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики», ФИАН, Москва, 2011; 15th International Conference on Laser Optics, St.Petersburg, 2012; XIV Школа молодых ученых «Актуальные проблемы физики», ФИАН, Звенигород, 2012; XI Всероссийский молодежный Самарский конкурс-конференция научных работ по оптике и лазерной физике, ФИАН, Самара, 2012; 20th International Symposium Nanostructures: Physics and Technology, Samara, 2012; Девятнадцатая Всероссийская научная конференция студентов–физиков и молодых учёных, Архангельск, 2013; International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO/LAT), Moscow, 2013; International Conference «Optical Technologies for Telecommunications 2013», Samara, 2013.
Объём и структура диссертации:
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованных источников. Общий объём диссертации составляет 112 страниц машинописного текста и содержит 39 рисунков, 15 таблиц и список литературы, содержащий 126 наименований.
Поляризационные конверторы на основе сложением двух пучков с противоположными круговыми поляризациями
Однако прежде необходимо решить задачу исследования распределения компонент электрического поля при острой фокусировке пучков с различными поляризационными состояниями. Существуют различные методики, которые дают представление о распределении компонент электрического поля в области фокусировки, например метод флюоресценции молекул с дипольным моментом [27, 28]. Физическая основа метода состоит в чувствительности к различным компонентам электромагнитного поля в зависимости от ориентации молекул. Однако, среди недостатков метода отмечают сложность приготовления образца и наличия спектральных фильтров, которые снижают и без того низкую чувствительность.
Другой метод, основан на применении оптического ножа [29, 30]. В этом методе непрозрачный слой в виде полуплоскости наносится непосредственно на фотоприёмный слой. Достоинство метода это относительная простота конструкции установки. К недостаткам следует отнести отсутствие зависимости чувствительности от поляризации.
Наиболее распространенными являются методы, основанные на применении сканирующих ближнепольных оптических микроскопов (СБОМ) [31, 32] c апертурными [33-36] и безапертурными [37-39] зондами. Применяются апертурные зонды в виде волоконных световодов с заострённым металлизированным концом [33-35], либо в виде пустотелых кантилеверов, выполненных на балке [36]. В первом случае попавшее в световод излучение далее детектируется при помощи фотоумножителя, поскольку коэффициенты передачи таких зондов весьма малы (порядка 10-4). Во втором случае прошедший через кантилевер свет собирается при помощи высокоапертурного объектива. Для апертурных металлизированных волоконных зондов характерна селективная чувствительностью к различным компонентам электрического поля. Причём теоретически она пропорциональна производной от продольной компоненты [34, 35], хотя, как показано в работе [33], с достаточной точностью можно считать её в виде взвешенной суммы продольной и поперечной компонент. Селективная чувствительность проявляется и для зондов второго типа, однако в этом случае, как показано теоретически и экспериментально [36], присутствует чувствительность только к поперечным компонентам.
Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что наиболее универсальным средством исследования распределений интенсивности электромагнитного излучения с субволновым разрешением является метод ближнепольной микроскопии с апертурным металлизированным волоконным зондом.
При этом остаётся неопределенность в отношении измеряемых компонент электрического поля. Например, в работе [39] показано, что зонды с различной технологией напыления металлического покрытия дают различия при сканировании фокальной плоскости остросфокусированно излучения с радиальной поляризацией. Для решения проблемы калибровки ближнепольного апертурного зонда требуется, по всей видимости, несколько эталонных распределений с различными известными распределениями компонент электрического поля. Простое переключение с радиальной на азимутальную поляризацию не решает указанной проблемы в связи с возникающими при этом дополнительными изменениями в сфокусированном поле, связанными с поляризационными свойствами тех элементов, которые участвуют в процессе переключения. Поэтому поиск простого способа создания фокальной картины с возможностью управления вкладом различных компонент электрического поля является актуальным.
Другой широко известный подход к проблеме достижения сверхразрешения состоит в использовании как рефракционных [40, 41], так и дифракционных [42-46] аксиконов. Необходимо отметить, что аксикон фокусирует излучение в продольный отрезок, что может использоваться в различных приложениях. Так в работе [47] показано, что фокусировка радиально-поляризованного излучения с помощью аксикона дает хорошие результаты по ускорению электронов, а также генерации терагерцового излучения. При этом установка отличается компактностью, по сравнению с другими традиционными схемами ускорителей заряженных частиц. Экспериментальные исследования с высокоапертурными бинарными аксиконами трёх конфигураций были проведены при линейной поляризации падающего излучения [48]. Данные элементы были изготовлены в резисте по технологии прямой записи электронным пучком без достаточного контроля высоты рельефа, что привело к неоднозначным экспериментальным результатам. Кроме того, распределения интенсивности регистрировались ПЗС камерой при увеличении микрообъективом, что не давало возможности измерения продольной компоненты и преодоления дифракционного предела. В работе [49] аналогичные измерения ближнепольным микроскопом для аксикона более высокого качества дали гораздо лучшие результаты. Однако и здесь конструкция ближнепольного зонда не давала возможности измерения продольной компоненты. Причем для линейной поляризации излучения, освещающего аксикон, (которое производится большинством лазеров) уменьшению размера фокального пятна в общей интенсивности электромагнитного поля препятствует именно вклад продольной компоненты, усиливающийся при увеличении числовой апертуры и уширяющий поперечный размер светового пятна вдоль оси поляризации. В связи с этим в теоретических работах рассматривается радиально-поляризованный падающий пучок [42]. При радиальной поляризации высокоапертурный аксикон формирует круглое световое пятно, состоящее в основном из одной продольной компоненты, и позволяет достичь предсказанное скалярной теорией преодоление дифракционного предела. Эту и другие возможности, которые не исчерпываются известными работами [42-46] дает применение различных типов дифракционных аксиконов совместно с различно поляризованными пучками. Кроме уменьшения центрального пятна, и формирования продольной компоненты, можно назвать также формирование разного рода провалов (dark spot) в фокальной зоне. Все это открывает широкие возможности по экспериментальному формированию требуемых распределений электрического поля в фокальной плоскости путем реализации новых сочетаний разных типов фокусирующих ДОЭ с различно поляризованными освещающими пучками.
Распространение лазерных пучков с осевой симметрией вдоль оси кристалла
Для большинства современных лазеров характерно, что их излучение является поляризационно-однородным, т.е. поляризационные параметры во всех точках поперечного сечения лазерного пучка одинаковы. Однако с помощью дополнительных внутри- или внерезонаторных устройств возможно формирование множества различных типов векторных поляризационно-неоднородных мод с уникальными свойствами.
Особый интерес представляют пучки, имеющие аксиальную симметрию всех параметров лазерного излучения, включая поляризацию, например, пучки с радиальным и азимутальным направлением поляризации. Цилиндрические (с аксиальной симметрией) векторные пучки имеют множество приложений, включая микроскопию, литографию, ускорение электронов, обработку материалов, высокоразрешающую метрологию, микроэллипсометрию и спектроскопию [24]. При острой фокусировке радиально-поляризованного пучка на оси в фокусе возникает мощная продольная компонента, используемая для уменьшения размеров фокального пятна [29, 42], для оптического захвата и трехмерного ориентирования молекул [50], а также для ускорения электронов [51].
Существуют две группы методов получения цилиндрических векторных пучков: внутрирезонаторные и внерезонаторные. В первом случае в составе резонатора используют поляризационно-селективные оптические элементы. Этот метод является предпочтительным для мощных лазеров, обычно имеющих высокий коэффициент усиления активной среды, низкую добротность резонатора и относительно низкое качество излучения. Известны внутрирезонаторные схемы генерации аксиально-поляризованных пучков с использованием конической призмы Брюстера [52], сегментированных волновых пластинок [53], дифракционных зеркал с высокой локальной поляризационной селективностью [54], субволновых диэлектрических решеток [55]. Также можно использовать свойства двулучепреломления внутренних лазерных кристаллов [56, 57] или применить в качестве выходного зеркала резонатора специальное фотонно-кристаллическое зеркало [58].
Главным преимуществом внерезонаторных методов для формирования поляризационно-неоднородных мод является универсальность. Чаще всего внерезонаторные методы основаны на когерентной суперпозиции пары обычных мод, например, с помощью интерферометра. Таким способом можно формировать любые типы цилиндрических векторных пучков, и, в принципе, такой метод применим для любой длины волны. Кроме интерференционных методов [10, 11, 59, 60] известны схемы с использованием маломодовых оптических волокон [61, 62] и нематических жидкокристаллических пространственных модуляторов света [33, 63]. Интерференционные методы основаны на использовании в качестве входного излучения одной моды, полученной, как правило, внутрирезонатор ным способом. Схема получения второй моды, взаимно когерентной с исходной, но с другой поляризацией, содержит несколько оптических элементов и довольно сложна в настройке. При использовании оптических волокон необходимо выделять одну моду из целой группы возбуждаемых мод, что сказывается не лучшим образом на эффективности и «чистоте» поляризационного состояния пучка. Для жидкокристаллических пространственных модуляторов света имеется взаимосвязь фазовых и поляризационных изменений, что требует дополнительного оптимизационного кодирования, кроме того, они являются дорогостоящими устройствами с низкой энергетической эффективностью. Применение дифракционных оптических элементов (ДОЭ) дает возможность избежать этих сложностей, поскольку методы дифракционной оптики позволяют получать из основной моды лазера любые другие моды в разных плечах оптической схемы с высокой эффективностью.
Поляризационные конверторы на основе сложения линейно-поляризованных пучков Использование ДОЭ для формирования лазерных полей обеспечивает простоту и универсальность конвертации. Универсальность состоит в возможности методами дифракционной оптики производить практически любые заданные распределения полей из фундаментального лазерного излучения, т.е. в суперпозиции могут участвовать любые лазерные пучки. В таблице 1.1 приведены наиболее известные схемы формирования пучков с различной поляризацией на основе когерентной суперпозиции линейно поляризованных гауссовых мод.
Схема генерации (таблица 1.1) с помощью суперпозиции линейно-поляризованных мод Эрмита-Гаусса пучков с различной поляризацией была рассмотрена в работе [66]. Из таблицы 1.1 видно, что, меняя комплексные коэффициенты при сложении ортогональных мод, можно производить поляризации различных типов. Обычно для сложения или вычитания лазерных полей применяют двухлучевые интерферометры типа Маха-Цендера и Саньяка. Недостаток такого подхода состоит в сложности настройки интерферометров с точным совмещением полей мод и созданием точных фазовых сдвигов между модами. Также в этом случае используется большое количество сложных элементов типа призмы Дове, поляризационных разделительных призм, 90-градусного перископа и др. [10, 11].
В диссертации предлагается устранить указанные недостатки путем использования схемы [70 , здесь и далее " " помечены работы автора] (рис. 1.1) когерентного суммирования двух световых полей с произвольными комплексными коэффициентами при помощи дифракционной решетки.
Лазерный источник оптического излучения с линейной поляризацией 1 освещает ДОЭ 2 и 3, причём плоскости поляризации излучения формируемых мод получаются взаимно ортогональными за счёт полуволновой пластинки 4, расположенной перед одной из голограмм. Каждый ДОЭ формирует требуемую моду в +1-ом и -1-ом порядках дифракции, которые распространяются под углами ±, определяемыми несущей частотой голограммы. Моды, сформированные в +1-ом порядке дифракции ДОЭ 2 и в -1-ом порядке дифракции ДОЭ 3 , распространяются в сходящихся направлениях и попадают на дифракционную решётку 5, как показано на рис. 1.1. Решётка 5 должна быть расположена в плоскости, проходящей через точку пересечения оптических осей мод, сформированных в +1-ом порядке дифракции одного ДОЭ и в -1-ом порядке дифракции другого ДОЭ, для обеспечения совпадения оптических осей суммируемых мод. Излучение каждой из данных мод, прошедшее дифракционную решётку, в свою очередь, разделяется на дифракционные порядки, причём если период дифракционной решётки сделать равным периодам несущих частот ДОЭ, то +1-й дифракционный порядок решётки для одной моды и 1-й порядок решётки для другой моды будут распространяться по нормали к плоскости решётки. Таким образом, обеспечивается точное совмещение мод как по пространственному положению за счёт помещения решётки в плоскость, проходящую через точку пересечения оптических осей мод, так и по углу. Изменение межмодового фазового сдвига, дающего значения коэффициентов при модах, в оптической системе осуществляется за счёт сдвига дифракционной решётки поперёк оптической оси.
При различных значениях коэффициента и участвующих в суперпозициях модах формируются различные типы поляризаций, в основном смешанные, но можно получить радиальную и азимутальную. Расстояние z0 между дифракционной решётки и ДОЭ определяется периодом решётки d, длиной волны и расстоянием 2а между ДОЭ, формирующими модовые пучки:
Физически это соответствует наложению двух входных полей, образующихся в плюс - минус первых дифракционных порядках, на оптической оси в выходной плоскости двухкаскадной системы за счет соответствующего выбора периода дифракционной решетки. При этом необходимые фазовые сдвиги между световыми полями могут быть обеспечены выбором начальной фазы дифракционной решетки. В оптической установке это выполняется перемещением решетки поперек оптической оси. Таким образом, устраняются оба недостатка, присущих интерферометрической схеме сложения мод. Совмещение полей мод осуществляется путем точного выдерживания расстояния 2а на подложке, где записаны ДОЭ, формирующие моды. Это достигается без труда, за счет высокой точности позиционирования современных систем построения фотошаблонов ДОЭ. Остается лишь точно выставить подложку с ДОЭ так, чтобы прямая, соединяющая их центры, была перпендикулярна штрихам дифракционной решетки. Это также не вызывает трудностей, поскольку осуществляется вращением всей подложки с ДОЭ в целом, с контролем совмещения полей лишь по одной координате. Подбор необходимых фазовых сдвигов между световыми полями также существенно упрощается, поскольку используются дифракционные решетки, период которых на один - два порядка больше , и, соответственно, на порядок снижаются требования к точности юстировки соответствующего элемента.
Для расчёта фазовых ДОЭ, формирующих модовые пучки Гаусса-Эрмита (ГЭ), модулированные высокочастотной функцией, был использован метод частичного кодирования [89]. На одну подложку были записаны три пары бинарно-амплитудных ДОЭ, формирующих моды ГЭ с индексами (0,n) и (n,0) при n=1, 4, 9 (см. рис. 1.2). Запись выполнялась при помощи кругового лазерного записывающего устройства CLWS-200. Каждый ДОЭ имел размер 2x2 мм с несущей частотой около 30 лин/мм, расстояние между парными ДОЭ составляло 12 мм. По той же технологии, была изготовлена соответствующая дифракционная решётка. Точное соответствие частоты дифракционной решётки несущим частотам цифровых голограмм достигается за счёт того, что как цифровые голограммы, так и дифракционная решётка изготовляются в одном технологическом цикле и достижение точного соответствия их параметров не представляет сложности.
Исследования поляризационной чувствительности СБОМ на основе применения фазовой пластинки
Среди наиболее эффективных способов преобразования пучков с однородной поляризацией в цилиндрические векторные пучки [24] можно выделить метод на основе анизотропных материалов. Анизотропные материалы широко используются в оптике для таких преобразований, причем как внутри, так и вне резонаторов. Во внутрирезонаторных методах [79-81] двулучепреломляющие кристаллы выполняют функцию дискриминации мод, разделяя их либо поперек [79], либо вдоль [80, 81] оптической оси. По принципу действия метод, предложенный в [79], похож на внерезонаторный метод интерферометрического сложения двух мод [74 , 82, 83] с ортогональными плоскими поляризациями. Оптическая ось кристалла при этом расположена под углом к оптической оси резонатора.
Методы, описанные в работах [80, 81] реализуют продольное разделение мод вдоль оптической оси резонатора в двух фокусах. Оптическая ось кристалла при этом параллельна оптической оси резонатора. Для создания большей сходимости пучков в кристалле реализуется оптическая схема неустойчивого резонатора. Настройкой внутрирезонаторной диафрагмы можно добиваться выделения радиальной или азимутальной поляризаций. У описанного метода также имеются внерезонаторные аналоги [84, 85]. В этих работах для создания сходящегося пучка в кристалле используется телескопическая система.
Весьма популярным становится преобразование бесселевых пучков в двулучепреломляющих кристаллах для создания необходимых поляризаций [85, 86]. При этом получаются как радиальная и азимутальная [85], так и смешанные «спиральные» типы поляризаций [86]. В работе [85] используются рефракционные аксиконы для создания кольца с плоским волновым фронтом, а после прохождения кристалла радиальная и азимутальная поляризации разделяются при помощи поляризационной призмы Волластона. Однако получить такими методами цилиндрические векторные пучки высших порядков не представляется возможным. Напомним, что цилиндрические векторные пучки высших порядков расширяют возможности управления компонентами электрического поля [87, 88 ] при острой фокусировке.
Наиболее удобной в плане практической реализации является схема [83], включающая формирователь оптического вихря, фокусирующий и изображающий объективы, двулучепреломляющий кристалл и регулируемую диафрагму. Освещающий лазерный пучок должен иметь круговую поляризацию, причем изменяя ее направление либо знак фазового вихря можно менять тип поляризации. В этой схеме нет принципиальных ограничений на порядок формируемых радиально или азимутально-поляризованных мод. Возможность дискриминации мод высших порядков теоретически рассмотрена в работе [80], однако не предложено эффективных методов ее реализации. Для формирования цилиндрических векторных пучков высших порядков требуется изначально формировать вихревые пучки высших порядков, что наиболее эффективно можно осуществить при помощи ДОЭ [70 , 71].
Исходя из выше сказанного в диссертации предложено реализовать формирование цилиндрических пучков высоких порядков в двулучепреломляющих кристаллах путем формирования структурированного вихревого освещающего пучка при помощи соответствующих ДОЭ. Были проведены исследования [95 ] схем, как с совмещенным фокусом, так и с двумя фокусами. Рассмотрим одноосный кристалл, обладающий только анизотропной диэлектрической проницаемостью (магнитная проницаемость изотропна), причём ось кристалла ориентирована вдоль оптической оси. В этом случае тензоры диэлектрической и магнитной проницаемости, соответственно, следующий вид:
Если падающее на кристалл излучение имеет сходящийся волновой фронт, то внутри кристалла в зависимости от соотношения размера пучка и кривизны волнового фронта, может формироваться один или два фокуса [83]. Причем для формирования двух фокусов необходима довольно острая фокусировка. Ниже приведены результаты моделирования фокусировки Гауссова пучка с круговой поляризацией в кристалле исландского шпата (єо =2,75, ее =2,21). Параметры расчёта были выбраны следующие: = 0,633 мкм, фокус сходящегося в свободном пространстве параболического фронта/=30 мм, а радиус перетяжки Гауссова пучка варьировался в пределах от 0,15 мм до 2 мм.
На рис. 1.18 показано нормированное распределение интенсивности на оптической оси внутри кристалла при фокусировке Гауссова пучка различного радиуса, не имеющего вихревой фазы. Как видно из рисунка, при малых размерах падающего пучка формируется один растянутый фокус. При увеличении радиуса падающего пучка увеличивается острота фокусировки, и в кристалле формируются два фокуса. Эти фокусы соответствуют обыкновенному и необыкновенному пучкам. При слабой фокусировке разделения на обыкновенный и необыкновенный фокусы в кристалле не происходит.
Распределение нормированной интенсивности на оптической оси внутри кристалла при m=0 при фокусировке Гауссова пучка радиусом 0,15 мм (точечная линия), 0,5 мм (пунктирная линия) и 2 мм (чёрная линия) На рис. 1.19 показано распределение интенсивности при слабой фокусировке и поляризационная картина в фокусе (стрелками показаны локальные поляризационные состояния). В центральной части фокальной плоскости поляризация остается круговой, а по внешнему радиусу светового пятна является спиральной (линейная комбинация радиальной и азимутальной).
При более острой фокусировке происходит разделение на обыкновенный и необыкновенный фокусы, причем в рассматриваемом случае первый фокус является необыкновенным. Между фокусами в этом случае формируется световое кольцо. На рис. 1.20 показан ход лучей при наличии двух фокусов, а также поляризационная картина в плоскости между ними. Из картины поляризации видно, что в световое кольцо между двумя фокусами имеет спиральную поляризацию. Световое кольцо образуется, когда обыкновенный и необыкновенный пучки достигают оптической оси в противофазе.
Фокусировка Гауссова пучка (m=0) радиусом 0,5 мм: (а) ход лучей в сагиттальной плоскости z е[30мм, 60мм], у є [-0,1 мм, 0,1мм] и (б) картина поляризации в плоскости между фокусами z=45 мм (негативные изображения) При дальнейшем увеличении числовой апертуры разделение на два фокуса остается, они становятся более узкими, а кольцо между ними более широким. На рис. 1.21 показан ход лучей, а также поляризационные картины в трех плоскостях – в фокусах и между ними в условиях более острой фокусировки.
В центральной части фокальных плоскостей поляризация остается круговой, а на периферии светового пятна в первом фокусе является азимутальной, а во втором – спиральной. Между фокусами формируется световое кольцо со спиральной поляризацией. Хотя спиральная поляризация имеет свои приложения [90], рассмотренные в данном разделе пучки не являются цилиндрическими. Для формирования таких пучков на основе фокусировки необходимо наличие в падающем на кристалл излучении вихревой фазовой сингулярности первого порядка.
На рис. 1.22 показано распределение интенсивности при слабой фокусировке вихревого Гауссова пучка с " - " круговой поляризацией, а также поляризационная картина в двух плоскостях – перед фокусом и в фокусе. Как видно из рис. 1.22, пучок имеет кольцевую структуру и до фокуса сохраняет круговую поляризация. В фокусе поляризация смешанная. Чтобы разделить обыкновенный и необыкновенный пучки пространственно, нужно использовать более острую фокусировку. На рис. 1.23 показаны результаты моделирования фокусировки вихревого гауссова пучка (m=1) радиусом 2 мм. Как видно, в этом случае первый фокус имеет «чистую» радиальную поляризацию, а второй – азимутальную. Между фокусами формируется световое кольцо со спиральной поляризацией.
Фокусировка различными типами аксиконов радиальной и азимутальной поляризации
Субволновая локализация электромагнитного излучения существенно связана, как правило, с его поляризационными свойствами и требует специальных методов измерения распределения интенсивности. Требуемое субволновое разрешение принципиально недостижимо традиционными изображающими системами, поскольку для них существует дифракционный предел, а это значит, что одномоментное получение всего распределения интенсивности невозможно [18, 19]. Поэтому все методы исследования ближнего поля дифракции основаны на применении различных способов интегрирования интенсивности по области субволновых размеров. При этом развертка исследуемого распределения интенсивности осуществляется механическим сканированием в области измерений с субволновым шагом, что стало возможным благодаря появлению соответствующих микромеханических устройств. Условно можно выделить 4 группы методов, различающихся принципами измерения интенсивности:
Методы, основанные на флюоресценции молекул с дипольным моментом [27]. В зависимости от ориентации молекулы, она обладает чувствительностью к разным компонентам электромагнитного поля. Сама картина флуоресценции получается при механическом сканировании плоскости расположения молекул с целью более полного исследования всего поля (не только в точках расположения отдельных молекул). Оптическое изображение при этом можно получить, например методом конфокальной микроскопии. Метод скорее пригоден для определения ориентации молекул в известном и специально сформированном поле [28], а не для измерения интенсивности. В качестве недостатков следует также отметить сложность метода в целом (обусловлена сложностью приготовления образца и наличием спектральных фильтров, которые снижают и без того низкую чувствительность), а также трудность воспроизведения результатов, когда речь идёт об измерении интенсивности. Это происходит из-за случайности положения центров и ориентации молекул в трёхмерном пространстве, наличия близкорасположенных молекул с разной ориентацией и т.п. При использовании метода невозможно точно определить положение молекулы по оси z из-за конечной толщины слоя, в котором расположены молекулы.
Методы, основанные на применении оптического ножа [29, 30]. Непрозрачный слой в виде полуплоскости наносится непосредственно на фотоприёмный слой. Достоинства метода – относительная простота и отсутствие зависимости чувствительности от поляризации (хотя для ряда применений это скорее недостаток). Однако метод является простым только для радиально симметричных распределений. В случае отсутствия радиальной симметрии требуется проводить сканирование не только линейным перемещением ножа, но и по углу, а затем проводить обработку результатов. Если в распределении, кроме интенсивных центральных пиков, присутствуют ещё какие-то локальные максимумы, сравнимые по полной энергии с центральными (как, например, в бесселевых пучках), то на фоне суммарной интенсивности изменения при сканировании становятся весьма малыми, что приводит к снижению динамического диапазона измерений. 3. Несколько особняком стоит метод, основанный на предварительной записи фокального распределения в виде рельефа на фоторезист [30] с последующим сканированием на атомно-силовом микроскопе. При этом наводка на резкость осуществляется при помощи ножа в виде плёнки хрома, напылённой на часть поверхности фоторезиста. Метод одинаково чувствителен ко всем компонентам поля. Недостатком является интегрирование интенсивности по толщине плёнки фоторезиста, что также снижает потенциальную разрешающую способность метода. 4. Наиболее распространены методы, основанные на применении сканирующих ближнепольных оптических микроскопов (СБОМ) [31, 32] c апертурными [33–36] и безапертурными [37–39] зондами. Применяются апертурные зонды в виде волоконных световодов с заострённым металлизированным концом [33 – 35] либо в виде пустотелых кантилеверов, выполненных на балке [11, 36]. В первом случае попавшее в световод излучение далее детектируется при помощи фотоумножителя, поскольку коэффициенты передачи таких зондов весьма малы (порядка 10-4). Во втором случае прошедший через кантилевер свет собирается при помощи высокоапертурного объектива. Для апертурных металлизированных волоконных зондов характерна селективная чувствительностью к различным компонентам электрического поля. Причём теоретически она пропорциональна производной от продольной компоненты [34, 35], хотя, как показано в работе [33], с достаточной точностью можно считать её в виде взвешенной суммы продольной и поперечной компонент. Селективная чувствительность проявляется и для зондов второго типа, однако в этом случае, как показано теоретически и экспериментально [36], присутствует чувствительность только к поперечным компонентам. Также следует отметить, что конфигурация ближнепольного микроскопа, в которой предлагается такой зонд, имеет подвижную платформу только для исследуемого образца, что исключает возможность исследования распределений интенсивности, создаваемых при статическом освещении образца на просвет.
Подводя итог, можно сказать, что наиболее универсальным средством исследования распределений интенсивности электромагнитного излучения с субволновым разрешением является метод ближнепольной микроскопии с апертурным металлизированным волоконным зондом, однако когда распределение компонент является сложным метод необходимо дополнять другими методами исследования описанными выше. 2.2. Исследование остросфокусированных распределений интенсивности с помощью конфокальной микроскопии
Одним из методов исследования распределений интенсивности в фокальной области высокоапертурной фокусирующей системы является конфокальная микроскопия. Главным преимуществом конфокальной микроскопии является простота реализации, если не проводить сканирование исследуемой области. Однако в этом случае в предметную плоскость приходится ставить обычное зеркало, что ставит под вопрос возможность исследования распределения различных компонент электрического поля. Тем не менее, данный метод можно рассматривать в качестве дополнительного к другим, более точным, о которых речь пойдет дальше.
В работе [97 ] я применил метод конфокальной микроскопии для исследования распределений интенсивности остросфокусированных одно- и многокольцевых пучков, имеющих радиальную и азимутальную поляризации, полученных мною ранее (см. Главу 1). Численное моделирование острой фокусировки цилиндрических пучков проводилось в приближении Дебая с использованием правила для дифракционных фокусирующих систем [100].
