Введение к работе
Актуальность работы
Внимание к световым полям с неоднородным распределением светового поля уделялось практически с момента появления лазеров. Неоднородным распределением интенсивности в поперечном сечении характеризуются моды лазерного резонатора, неоднородное распределение интенсивности, фазы и состояния поляризации присуще собственным модам оптического волокна.
Новый всплеск интереса к таким полям был вызван работами [1*,2*,3*] в которых впервые были исследованы особенности распространения светового пучка с профилем интенсивности, описываемым функцией Бесселя нулевого порядка. Несмотря на прошедшие десятилетия, интерес к световым полям с неоднородным распределением основных характеристик не ослабевает.
Большое внимание уделяется созданию и исследованию свойств световых пучков со спиральной фазой, пучков, обладающих аксиально симметричным распределением состояния поляризации в поперечном сечении, световых пучков с неоднородным распределением интенсивности в направлении распространения. Интерес к таким неоднородно структурированным полям во многом обусловлен возможностью их использования в микроскопии сверхвысокого разрешения [4*,5*], для повышения точности интерференционных измерений [6*,7*], для передачи информации по волоконно-оптическим линиям связи [8*] и в свободном пространстве [9*, 10*, 11*], для исследования механических свойств клеток [12*], анализа индивидуальных геномов [13*], для манипуляции микрочастицами [14*], для лазерной резки и сверления металла [15*,16*,17*], для фототермической обработки злокачественных опухолей [18*].
Структура светового поля оказывает существенное влияние на характер взаимодействия излучения с оптически неоднородной средой. Так, изменение знака циркулярной поляризации на входе в многомодовое оптическое волокно приводит к повороту спекл картины на его выходе (Оптический эффект Магнуса). При отражении пучка с фазовой дислокацией от границы раздела двух сред наблюдается отклонение от известных законов отражения: угол падения не равен углу отражения, по отношению к нормали к поверхности падающий и отраженный луч лежат в разных плоскостях.
Анализ литературы показывает, что при создании и исследовании световых пучков основное внимание уделяется распределению интенсивности в поперечном и продольном направлении, созданию световых пучков с аксиально-симметричным распределением состояния поляризации в поперечном сечении пучка. Практически не уделяется внимания структуре фазовой поверхно-
сти и неаксиальносимметричном распределением поляризации в поперечном сечении.
Создание световых полей с различным характером распределения основных параметров позволит расширить область их применения и создаст новые возможности как для практического применения, так и для поиска новых оптических эффектов.
Цель работы Создание световых пучков с пространственными и поляризационными неод-нородностями.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.
-
Теоретическое исследование особенностей генерации полого цепочнооб-разного пучка с дислокацией волнового фронта, получаемого при дифракции пучка с дислокацией волнового фронта на зонной пластине с двумя открытыми нечетными зонами дифракции.
-
Определение параметров, задающих распределение интенсивности при генерации полого цепочнообразного пучка с дислокацией волнового фронта.
-
Экспериментальная реализация полого цепочнообразного пучка с дислокацией волнового фронта.
-
Исследование особенностей волнового фронта полого цепочнообразного пучка с дислокацией волнового фронта при интерференции с пучком Гаусса и дифракции на щели.
-
Разработка метода получения асимметрично неоднородно поляризованного в поперечном сечении лазерного пучка.
-
Разработка и экспериментальная апробация метода контроля качества поляризационных элементов.
-
Разработка и экспериментальная реализация метода построения карты поляризации исследуемого пучка в поперечном сечении.
-
Экспериментальная реализация лазерного пучка с асимметричным распределением неоднородной поляризации в поперечном сечении.
Используемые методы исследований
Для решения сформулированных задач в работе использовался комплексный подход, сочетающий известные экспериментальные методы и методы компьютерного моделирования:
для моделирования распространения в пространстве, интерференции и дифракции на щели полого цепочнообразного пучка с дислокацией волнового фронта использовался спектральный метод решения уравнения Гельмгольца на основе быстрого преобразования Фурье;
для расчета поляризационных параметров фазовых элементов использовался модифицированный метод матриц Джонса [19*];
для построения карты поляризации использовался метод, основанный на Стокс-поляриметрии:
для генерации пучка с неоднородным распределением состояния поляризации в поперечном сечении использовался метод, основанный на преобразовании спинового момента фотона в орбитальный в неоднородной изотропной среде.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Дифракция светового пучка с дислокацией волнового фронта на зонной
пластинке с открытыми первой и еще одной нечетной зонами дифракции
формирует полый цепочнообразный пучок с дислокацией волнового фронта
со следующим распределением интенсивности:
в поперечном сечении это набор вложенных друг в друга колец различной интенсивности, которая постоянна и минимальна на оси пучка;
в продольном сечении это цепочнообразная полая структура, состоящая из световых овалоидов с минимумом интенсивности на оси распространения пучка.
Удаление световых овалоидов от зонной пластинки пропорционально ее фокусному расстоянию.
С ростом номера второй открытой нечетной зоны размер световых овалоидов уменьшается, а их линейная концентрация вдоль оси распространения пучка растет.
Рост отношения энергии, проходящей через вторую нечетную открытую зону дифракции, к энергии, проходящей через первую, при достижении значения ~ 1/3 влечет дискретизацию овалоидов в продольном направлении.
2. Структура волнового фронта полого цепочнообразного пучка с дисло
кацией волнового фронта отлична от однородной спирали следующим:
для соседних колец поверхность постоянной фазы имеет положительную и отрицательную кривизну;
для данного кольца смена знака кривизны волнового фронта происходит в середине каждого овалоида и на середине области между овалоидами;
чем дальше располагается кольцо от оси пучка, тем меньше наклон волнового фронта для этого кольца.
3. Азимутальная составляющая вектора Пойнтинга полого цепочнообраз
ного пучка с дислокацией волнового фронта на порядок больше азимуталь
ной составляющей пучка Бесселя первого порядка, волновой фронт которого
является однородной спиралью.
Чем дальше от оси пучка расположено кольцо в поперечном сечении распределения интенсивности полого цепочнообразного пучка с дислокацией волнового фронта, тем меньше азимутальная составляющая вектора Пойнтинга для этого кольца. Например, для второго (относительно центра пучка) кольца эта величина в два раза меньше, чем для первого кольца.
Для каждого кольца азимутальная составляющая вектора Пойнтинга постоянна на всей области распространения пучка.
4. Если провести интерференционное сложение трех циркулярно поляризо
ванных пучков с различной интенсивностью Eqi, Eq2} Е^:і, фазой if и сдвигом
фазы Г одного пучка относительно двух других, то распределение поляриза
ции в поперечном сечении результирующего пучка аксиально несимметрично.
Угол наклона в большой оси эллипса зависит от параметров интерферирую
щих пучков как:
tg(20) = 2K/L,
К = 2Е01Е02 sin(2p - Г) [Е201 + (Е02 + Е03)2 + 2Е01(Е02 + Е03) cos(2p - Г)] и
L = Е01 + 2Е01(Е02 + щ) + (Е02 + щ) —
[(-) + 2^0l(^03 ~ Е02) + E0l] +
4hi [(Eq2 + Ьз)(і?оі + Е02 + 2Ео2Ео:і + Е03)\ ~~
4oi [(Я033 - Е03Е22 + Е03Е2г)] cos(2p - Г) +
4< [Е22 + 2Е02Е03] cos2(2p - Г) - 4E201E22sm2(2f - Г).
Угол эллиптичности є зависит от параметров интерферирующих пучков как:
sin(2e) = 2M/N, где
N = 2ІЕ2, + Е22)2 + 402оз(02і + Е22) + 4^3(^oi + ^02) + 4 + 2&+ + 2oi [2Е201Е02 + 2El2 + 4Д)з(Я02і + Е22) + 6Е02Е23 + 433)] cos(2p - Г) + + 8Е21Еоз{Е02 + 0з) cos2^ - Г)
М = Е01- Е02 + 2Ео:і(Е01Ео2 + Е02) + 2Е01Ет + 2Е02Ет + і?03+
+ 2^оі [4 - ^02 + 2 + 2 + 2] cos(2^ - Г) + + 2Е201Е03(Е02 + 0з) cos2^ - Г).
Достоверность научных положений и других полученных результатов
-
В пользу достоверности I, II свидетельствует то, что корректность используемой модели расчета распределения интенсивности и фазы в исследуемом пучке подтверждается качественным совпадением результатов численного моделирования и эксперимента. Отличие рассчитанных и экспериментально полученных результатов для положения и размера световых овалоидов в распределении интенсивности полого цепочиообразиого пучка составляет не более 3%. Особенности распределения интенсивности при интерференции исследуемого пучка и пучка Гаусса, на основе которых были сделаны выводы о сохранении дислокации волнового фронта полого цепочиообразиого пучка и о наличии разности фаз между соседними кольцами, наблюдаются как в теоретических расчетах, так и в экспериментально полученных распределениях интенсивности.
-
Достоверность III защищаемого положения подтверждается тем, что исследование особенностей распределения энергии при дифракции полого цепочиообразиого пучка на щели дало согласие теоретических и экспериментальных данных в пределах 7%.
-
Достоверность IV защищаемого положения подтверждается тем, что представленные аналитические выражения зависимости распределения состояния поляризации в поперечном сечении пучка от параметров интерферирующих пучков получены строгим математическим способом.
В пользу достоверности IV защищаемого положения говорит тот факт, что полученный на основе аналитических выражений характер зависимости распределения состояния поляризации в результирующем пучке от параметров интерферирующих пучков подтверждается экспериментально.
Научная новизна защищаемых положений и других полученных результатов
1. Научная новизна I защищаемого положения заключается в том, было предложено формировать цепочнообразный пучок с дислокацией волнового фронта на основе дифракции пучка-носителя дислокации на зонной пластине с двумя открытыми зонами дифракции. Получены закономерности распределения интенсивности полого цепочиообразиого пучка от таких параметров системы, как номер открытой зоны, величина фокусного расстояния и относительная энергия на первую и вторую открытые зоны дифракции.
-
Научная новизна II и III защищаемых положений заключается в том, что исследовано влияние дифракции на особенности волнового фронта и направления распространения энергии пучка с дислокацией волнового фронта.
-
Научная новизна IV защищаемого положения заключается в том, что получены аналитические выражения, описывающие зависимость распределения неоднородной аксиально асимметричной поляризации в пучке, образованном в результате интерференции трех циркулярно-поляризованных пучков с ненулевым топологическим зарядом, от интенсивностей этих пучков и сдвига фаз первого пучка относительно двух других.
Научная ценность защищаемых положений и других полученных результатов
1. Описанные в II и III защищаемых положениях особенности волнового фронта и направления распространения энергии в полом цепочнооб-разном пучке с дислокацией волнового фронта демонстрируют влияние дифракции на спиральный волновой фронт.
Практическая значимость научных положений и других полученных результатов
1. Использование полого цепочнообразного пучка с дислокацией волнового фронта для лазерной манипуляции частицами позволит управлять группой частиц и передавать им вращательный момент. Описанные в II и III защищаемом положении особенности волнового фронта и распределения энергии в полом цепочнообразном пучке позволят прогнозировать результаты взаимодействия исследуемого пучка с веществом.
2. Полученные выражения для точного определения фазового сдвига поляризационного элемента позволят разрабатывать многослойные/многосоставные поляризационные системы с повышенной точностью. Этот метод более прост для реализации и автоматизации, чем ранее известные.
-
Описанные в IV защищаемом положении зависимости распределения неоднородной поляризации в поперечном сечении пучка от параметров трех интерферирующих пучков позволят разработать метод управления распределением поляризации в аксиально асимметричном пучке.
-
Неоднородно поляризованный в поперечном сечении пучок пригоден для использования в микроскопии высокого разрешения как пучок с перестраиваемыми пространственными параметрами, в лазерной хирургии и манипуляции частицами как пучок с управляемыми параметрами распределения поляризации.
5. Предложенный метод построения пространственного распределения поляризации в поперечном сечении пучка позволит разрабатывать автоматизированные системы исследования распределения состояния поляризации.
Внедрение результатов работ и рекомендации по их дальнейшему использованию
Результаты диссертационной работы используются в лаборатории нелинейной оптики ИЭФ и на кафедре оптики и спектроскопии ЮУрГУ для изучения эффектов спин-орбитального взаимодействия фотона.
Разработанные методики используются для выполнения квалификационных работ бакалавров и магистерских диссертаций на кафедре оптики и спектроскопии ЮУрГУ.
Результаты диссертации целесообразно использовать в Самарском филиале ФИАН, в Институте оптики атмосферы, в Томском государственном университете, в Санкт-Петербургском государственном университете Информационных технологий, механики и оптики.
Апробация работы
Материал диссертационной работы докладывался на следующих конференциях: на Международной конференции ICO-22: 22nd General Congress of International Commission for Optics (Мексика, 2011); на Международной научно-практической конференции "Оптика неоднородных структур 2011" (Могилев, 2011); на VI Международной конференции "Фундаментальные проблемы оптики" (Санкт-Петербург, 2010); на VII Международной конференций молодых ученых и специалистов "Оптика - 2011" (Санкт-Петербург, 2011); на международном оптическом конгрессе "Фундаментальные проблемы оптики - 2012" (Санкт-Петербург, 2012); на Всероссийском молодежном Самарском конкурсе-конференции научных работ по оптике и лазерной физике (Самара, 2012). на Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых "ВНКСФ-17" (Екатеринбург, 2011); на Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых "ВНКСФ-18" (Красноярск, 2012); на IX Всероссийском молодежном Самарском конкурсе-конференции научных работ по оптике и лазерной физике (Самара, 2011); на Всероссийской молодежной конференции "VI Самарский конкурс-конференция научных работ студентов и молодых исследователей по оптике и лазерной физике" (Самара, 2008); на "Региональной конференции аспирантов и докторантов ЮУрГУ" (Челябинск, 2010); на ежегодной конференции молодых ученых и аспирантов ИЭФ УрО РАН (Екатеринбург, 2010, 2011, 2012);
Полнота изложения материалов диссертации
Основное содержание работы представлено в докладах на международных, всероссийских и региональных конференциях, в 19 публикациях, вклю-
чая 6 статей в рецензируемых журналах, из них 3 - международные издания, и одну главу в монографии.
Личный вклад автора
Большинство полученных результатов получено лично автором. Личный вклад состоит в участии в постановке задачи, разработке моделей, программы расчета и комплекса программ, получение всех теоретических результатов, создании экспериментальных установок и проведении эксперимента, анализе и интерпретации полученных результатов, формулировки основных научных выводов. Вклад основных соавторов заключается в постановке задачи, разработке программного кода, обсуждении и интерпретации результатов (Кундикова Н.Д.), совместном проведении отдельных экспериментов и обсуждении результатов исследований (Попкова A.M.), совместном проведении отдельных экспериментов (Черепко Д.Ю., Гусева А.В.).
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, одного приложения и списка литературы, содержащего 114 наименований цитируемой литературы. Общий объем диссертации, включая иллюстрации и таблицы, составил 140 машинописных страниц.
