Световые пучки, генерируемые аксиконом с закругленной вершиной

  • Светлана Николаевна Курилкина Институт физики им. Б. И. Степанова НАН Беларуси, пр. Независимости, 68, 220072, г. Минск, Беларусь; Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Рашед Ёусеф Абдулла Алхаыяс Алблооши Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Петр Иосифович Ропот Институт физики им. Б. И. Степанова НАН Беларуси, пр. Независимости, 68, 220072, г. Минск, Беларусь
  • Алексей Михайлович Варанецкий Институт физики им. Б. И. Степанова НАН Беларуси, пр. Независимости, 68, 220072, г. Минск, Беларусь

Аннотация

Внимание сфокусировано на реальной форме аксикона, не острой, а закругленной. Рассмотрен несовершенный аксикон с закругленной вершиной, форма которого аппроксимирована гиперболоидом, и проведен теоретический и экспериментальный анализ свойств пучка, генерируемого в дальней зоне за таким аксиконом. Продемонстрировано, что если в вершине форма аксикона отклоняется от конической в пределах десятков микрометров, то поперечное распределение интенсивности формируемого светового поля имеет сильно осциллирующий характер. При этом ширина кольца (область, в которой нормированная на максимальное значение интенсивность превышает величину 0,5) меньше таковой в случае идеального аксикона. Эти колебания возникают в результате интерференции частей падающего пучка, проходящего через круглый линзообразный наконечник аксикона и окружающую его коническую поверхность. Показано, что периодичность колебаний зависит от параметра закругления: при увеличении данного параметра периодичность колебаний (а также радиус центрального максимума) уменьшается, а их амплитуда увеличивается. Предложен и апробирован метод определения закругления реального аксикона. Полученные результаты могут быть полезны для уточнения характеристик изготавливаемых аксиконов.

Биографии авторов

Светлана Николаевна Курилкина, Институт физики им. Б. И. Степанова НАН Беларуси, пр. Независимости, 68, 220072, г. Минск, Беларусь; Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

доктор физико-математических наук, профессор; главный научный сотрудник центра «Диагностические системы» Института физики им. Б. И. Степанова НАН Беларуси, профессор кафедры физической оптики и прикладной информатики физического факультета Белорусского государственного университета

Рашед Ёусеф Абдулла Алхаыяс Алблооши, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

магистрант кафедры лазерной физики и спектроскопии физического факультета. Научный руководитель – С. Н. Курилкина

Петр Иосифович Ропот, Институт физики им. Б. И. Степанова НАН Беларуси, пр. Независимости, 68, 220072, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук, доцент; заместитель заведующего центром «Диагностические системы»

Алексей Михайлович Варанецкий, Институт физики им. Б. И. Степанова НАН Беларуси, пр. Независимости, 68, 220072, г. Минск, Беларусь

научный сотрудник центра «Диагностические системы»

Литература

  1. McLeod JH. The axicon: a new type of optical element. Journal of the Optical Society of America. 1954;44(8):592–597. DOI: 10.1364/JOSA.44.000592.
  2. Khonina SN, Kazanskiy NL, Khorin PA, Butt MA. Modern types of axicons: new functions and applications. Sensors. 2021;21(19):6690. DOI: 10.3390/s21196690.
  3. Fan Y, Cluzel B, Petit M, Le Roux X, Lupu A, de Lustrac A. 2D waveguided Bessel beam generated using integrated metasurface-based plasmonic axicon. ACS Applied Materials & Interfaces. 2020;12(18):21114–21119. DOI: 10.1021/acsami.0c03420.
  4. Ding Z, Ren H, Zhao Y, Nelson JS, Chen Z. High-resolution optical coherence tomography over a large depth range with an axicon lens. Optics Letters. 2002;27(4):243–245. DOI: 10.1364/OL.27.000243.
  5. Tsampoula X, Garcés-Chávez V, Comrie M, Stevenson DJ, Agate B, Brown CTA, et al. Femtosecond cellular transfection using a nondiffracting light beam. Applied Physics Letters. 2007;91(5):053902. DOI: 10.1063/1.2766835.
  6. Dufour P, Piché M, Koninck YD, McCarthy N. Two-photon excitation fluorescence microscopy with a high depth of field using an axicon. Applied Optics. 2006;45(36):9246–9252. DOI: 10.1364/AO.45.009246.
  7. Čižmár T, Garcés-Chávez V, Dholakia K, Zemánek P. Optical conveyor belt for delivery of submicron objects. Applied Physics Letters. 2005;86(17):174101. DOI: 10.1063/1.1915543.
  8. Shao B, Esener SC, Nascimento JM, Botvinick EL, Berns MW. Dynamically adjustable annular laser trapping based on axicons. Applied Optics. 2006;45(25):6421–6428. DOI: 10.1364/AO.45.006421.
  9. Garcés-Chávez V, McGloin D, Melville H, Sibbett W, Dholakia K. Simultaneous micromanipulation in multiple planes using a self-reconstructing light beam. Nature. 2002;419(6903):145–147. DOI: 10.1038/nature01007.
  10. Polesana P, Dubietis A, Porras MA, Kučinskas E, Faccio D, Couairon A, et al. Near-field dynamics of ultrashort pulsed Bessel beams in media with Kerr nonlinearity. Physical Review E. 2006;73(5):056612. DOI: 10.1103/PhysRevE.73.056612.
  11. Pyragaite V, Regelskis K, Smilgevicius V, Stabinis A. Self-action of Bessel light beams in medium with large nonlinearity. Optics Communications. 2006;257(1):139–145. DOI: 10.1016/j.optcom.2005.07.012.
  12. Arlt J, Dholakia K, Allen L, Padgett MJ. Efficiency of second-harmonic generation with Bessel beams. Physical Review A. 1999;60(3):2438. DOI: 10.1103/PhysRevA.60.2438.
  13. Polesana P, Franco M, Couairon A, Faccio D, Di Trapani P. Filamentation in Kerr media from pulsed Bessel beams. Physical Review A. 2008;77(4):043814. DOI: 10.1103/PhysRevA.77.043814.
  14. Dubietis A, Polesana P, Valiulis G, Stabinis A, Di Trapani P, Piskarskas A. Axial emission and spectral broadening in self-focusing of femtosecond Bessel beams. Optics Express. 2007;15(7):4168–4175. DOI: 10.1364/OE.15.004168.
  15. Polesana P, Couairon A, Faccio D, Parola A, Porras MA, Dubietis A, et al. Observation of conical waves in focusing, dispersive, and dissipative Kerr media. Physical Review Letters. 2007;99(22):223902. DOI: 10.1103/PhysRevLett.99.223902.
  16. Durfee CG, Milchberg HM. Light pipe for high intensity laser pulses. Physical Review Letters. 1993;71(15):2409. DOI: 10.1103/PhysRevLett.71.2409.
  17. Akturk S, Zhou B, Franco M, Couairon A, Mysyrowicz A. Generation of long plasma channels in air by focusing ultrashort laser pulses with an axicon. Optics Communications. 2009;282(1):129–134. DOI: 10.1016/j.optcom.2008.09.048.
  18. Polynkin P, Kolesik M, Roberts A, Faccio D, Di Trapani P, Moloney J. Generation of extended plasma channels in air using femtosecond Bessel beams. Optics Express. 2008;16(20):15733–15740. DOI: 10.1364/OE.16.015733.
  19. Roy G, Blanchard M, Tremblay R. High-pressure amplified stimulated emission effect in a N2 laser produced plasma with axicon lenses. Optics Communications. 1980;33(1):65–68. DOI: 10.1016/0030-4018(80)90094-2.
  20. Sochacki J, Kołodziejczyk A, Jaroszewicz Z, Bará S. Nonparaxial design of generalized axicons. Applied Optics. 1992;31(25):5326–5330. DOI: 10.1364/AO.31.005326.
  21. Soroko LM. Axicons and meso-optical imaging devices. In: Patorski K, Soroko LM, Bassett IM, Welford WT, Winston R, Mihalache D, et al. Progress in optics. Volume 27. Wolf E, editor. Amsterdam: North-Holland; 1989. p. 109–160. DOI: 10.1016/S0079-6638(08)70085-4.
  22. Dutta R, Saastamoinen K, Turunen J, FribergAT. Broadband spatiotemporal axicon fields. Optics Express. 2014;22(21):25015–25026. DOI: 10.1364/OE.22.025015.
  23. Jaroszewicz Z, Burvall A, Friberg AT. Axicon – the most important optical element. Optics & Photonics News. 2005;16(4):34–39.
  24. Wang Y, Yan S, Friberg AT, Kuebel D, Visser TD. Electromagnetic diffraction theory of refractive axicon lenses. Journal of the Optical Society of America A. 2017;34(7):1201–1211. DOI: 10.1364/JOSAA.34.001201.
  25. Ren O, Birngruber R. Axicon: a new laser beam delivery system for corneal surgery. IEEE Journal of Quantum Electronics. 1990;26(12):2305–2308. DOI: 10.1109/3.64369.
  26. Liu Xiaoqing, Xue Changxi. Intensity distribution of diffractive axicon with the optical angular spectrum theory. Optik. 2018;163:91–98. DOI: 10.1016/j.ijleo.2018.02.089.
  27. Durnin J, Miceli JJ Jr, Eberly JH. Diffraction-free beams. Physical Review Letters. 1987;58(15):1499. DOI: 10.1103/PhysRevLett.58.1499.
  28. Schwarz S, Rung S, Esen C, Hellmann R. Fabrication of a high-quality axicon by femtosecond laser ablation and CO2 laser polishing for quasi-Bessel beam generation. Optics Express. 2018;26(18):23287–23294. DOI: 10.1364/OE.26.023287.
  29. Horváth ZL, Bor Z. Diffraction of short pulses with boundary diffraction wave theory. Physical Review E. 2001;63(2):026601. DOI: 10.1103/PhysRevE.63.026601.
  30. Akturk S, Zhou B, Pasquiou B, Franco M, Mysyrowicz A. Intensity distribution around the focal regions of real axicons. Optics Communications. 2008;281(17):4240–4244. DOI: 10.1016/j.optcom.2008.05.027.
  31. Dépret B, Verkerk P, Hennequin D. Characterization and modelling of the hollow beam produced by a real conical lens. Optics Communications. 2002;211(1–6):31–38. DOI: 10.1016/S0030-4018(02)01900-4.
  32. Brzobohatý O, Čižmár T, Zemánek P. High quality quasi-Bessel beam generated by round-tip axicon. Optics Express. 2008;16(17):12688–12700. DOI: 10.1364/OE.16.012688.
Опубликован
2023-05-24
Ключевые слова: аксикон, бесселевы пучки, дифракция, интерференция, интенсивность света
Как цитировать
Курилкина, С. Н., Алблооши, Р. Ё. А. А., Ропот, П. И., & Варанецкий, А. М. (2023). Световые пучки, генерируемые аксиконом с закругленной вершиной. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 2, 14-21. Доступно по https://journals.bsu.by/index.php/physics/article/view/5520
Выпуск
№ 2 (2023): Журнал Белорусского государственного университета. Физика
Раздел
Оптика и спектроскопия

Copyright (c) 2023 Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).