Световые пучки, генерируемые аксиконом с закругленной вершиной

Авторы

  • 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

Ключевые слова:

аксикон, бесселевы пучки, дифракция, интерференция, интенсивность света

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»

Библиографические ссылки

  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.

Загрузки

Дополнительные файлы

Опубликован

2023-05-24

Выпуск

№ 2 (2023): Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Раздел

Оптика и спектроскопия

Лицензия

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).

Как цитировать

(1)
Курилкина, С. Н.; Алблооши, Р. Ё. А. А. .; Ропот, П. И. .; Варанецкий, А. М. . Световые пучки, генерируемые аксиконом с закругленной вершиной. Журнал Белорусского государственного университета. Физика 2023, вып. 2, 14-21.