Преобразование конической волны с круговой поляризацией в вихревой цилиндрически поляризованный пучок в металлическом волноводе
Харитонов С.И., Хонина С.Н.

Институт систем обработки изображений РАН - филиал ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН, Самара, Россия,
Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва, Самара, Россия

Аннотация:
В данной работе разработан математический аппарат для описания распространение волн в металлическом волноводе в цилиндрической системе координат. Показано преобразование конической волны с круговой поляризацией в вихревой цилиндрически поляризованный пучок на основе разложения поля по векторным цилиндрическим модам. Результаты моделирования, основанные на разложении по плоским волнам, качественно согласуются с теоретическими выкладками.

Ключевые слова:
моды цилиндрического металлического волновода, лазерный импульс, коническая волна, круговая поляризация, вихревой пучок с цилиндрической поляризацией.

Цитирование:
Харитонов, С.И. Преобразование конической волны с круговой поляризацией в вихревой цилиндрически поляризованный пучок в металлическом волноводе / С.И. Харитонов, С.Н. Хонина // Компьютерная оптика. - 2018. - Т. 42, № 2. - С. 197-211. - DOI: 10.18287/2412-6179-2018-42-2-197-211.

Литература:

  1. Tyo, J.S. Review of passive imaging polarimetry for remote sensing applications / J.S. Tyo, D.L. Goldstein, D.B. Chenault, J.A. Shaw // Applied Optics. - 2006. - Vol. 45, Issue 22. - P. 5453-5469. - DOI: 10.1364/AO.45.005453.
  2. Oldenbourg, R. Polarized light microscopy of spindles / R. Oldenbourg. - In book: Methods in Cellular Biology. Vol. 61. Mitosis and Meiosis / ed. by C.L. Rieder. - San Diego, London: Academic Press, 1998. - ISBN: ‎978-0-12-544163-6. - Chap 10. - P. 175-208. - DOI: 10.1016/S0091-679X(‎08)61981-0.
  3. Khonina, S.N. How low can STED go? Comparison of different write-erase beam combinations for stimulated emission depletion microscopy / S.N. Khonina, I. Golub // Journal of the Optical Society of America A. - 2012. - Vol. 29, Issue 10. - P. 2242-2246. - DOI: 10.1364/JOSAA.29.002242.
  4. Zhang, Y. Wide-field imaging of birefringent synovial fluid crystals using lensfree polarized microscopy for gout diagnosis / Y. Zhang, S.Y.C. Lee, Y. Zhang, D. Furst, J. Fitzgerald, A. Ozcan // Scientific Reports. - 2016. - Vol. 6. - 28793. - DOI: 10.1038/srep28793.
  5. Baumann, B. Polarization sensitive optical coherence tomography: A review of technology and applications / B. Baumann // Applied Sciences. - 2017. - Vol. 7, Issue 5. - 474. - DOI: 10.3390/app7050474.
  6. Jacques, S.L. Imaging superficial tissues with polarized light / S.L. Jacques, J.R. Roman, K. Lee // Lasers in Surgery and Medicine. - 2000. - Vol. 26, Issue 2. - P. 119-129. - DOI: 10.1002/(SICI)1096-9101(2000)26:23.0.CO;2-Y.
  7. Moscoso, M. Depolarization and blurring of optical images by biological tissue / M. Moscoso, J.B. Keller, G. Papanicolaou // Journal of the Optical Society of America A. - 2001. - Vol. 18, Issue 4. - P. 948-960. - DOI: 10.1364/JOSAA.18.000948.
  8. Yeh, P. Optics of liquid crystal displays / P. Yeh, C. Gu. - 2nd ed. - Hoboken, NJ: John Wiley and Sons, 2009. - 792 p. - ISBN: 978-0-470-18176-8.
  9. Simpson, N.B. Mechanical equivalence of spin and orbital angular momentum of light: an optical spanner / N.B. Simpson, K. Dholakia, L. Allen, M.J. Padgett, // Optics Letters. - 1997. - Vol. 22, Issue 1. - P. 52-54. - DOI: 10.1364/OL.22.000052.
  10. Сойфер, В.А. Оптическое манипулирование микрообъектами: достижения и новые возможности, порождённые дифракционной оптикой / В.А. Сойфер, В.В. Котляр, С.Н. Хонина // Физика элементарных частиц и атомного ядра. - 2004. - Т. 35, Вып. 6. - P. 1368-1432.
  11. Agrawal, G.P. Applications of nonlinear fiber optics / G.P. Agrawal. - 2nd ed. - New York: Academic Press, 2008. - 528 p. - ISBN: 978-0-12-374302-2.
  12. Dennis, M.R. Singular optics: Optical vortices and polarization singularities / M.R. Dennis, K. O’Holleran, M.J. Padgett. - In Book: Progress in optics / ed. by E. Wolf. - London, New York: Elsevier, 2009. - Chap. 5. - P. 293-363. - DOI: 10.1016/S0079-6638(08)00205-9.
  13. Kraus, M. Microdrilling in steel using ultrashort pulsed laser beams with radial and azimuthal polarization / M. Kraus, M.A. Ahmed, A. Michalowski, A. Voss, R. Weber, T. Graf // Optics Express. - 2010. - Vol. 18, Issue 21. - P. 22305-22313. - DOI: 10.1364/OE.18.022305.
  14. Hnatovsky, C. Polarization-dependent ablation of silicon using tightly focused femtosecond laser vortex pulses / C. Hnatovsky, V.G. Shvedov, N. Shostka, A.V. Rode, W. Krolikowski // Optics Letters. - 2012. - Vol. 37, Issue 2. - P. 226-228. - DOI: 10.1364/OL.37.000226.
  15. Kuchmizhak, A. On-fly femtosecond-laser fabrication of self-organized plasmonic nanotextures for chemo- and biosensing applications / A. Kuchmizhak, E. Pustovalov, S. Syubaev, O. Vitrik, Y. Kulchin, A. Porfirev, S. Khonina, S.I. Kudryashov, P. Danilov, A. Ionin // ACS Applied Materials & Interfaces. - 2016. - Vol. 8, Issue 37. - P. 24946-24955. - DOI: 10.1021/acsami.6b07740.
  16. Majumdar, A.K. Free-space laser communications: principles and advances / A.K. Majumdar, J.C. Ricklin. - New York: Springer Science & Business Media; 2008. - 418 p. - ISBN: ‎978-0-387-28652-5.
  17. Huang, H. 100 Tbit/s free-space data link enabled by three-dimensional multiplexing of orbital angular momentum, polarization, and wavelength / H. Huang, G. Xie, Y. Yan, N. Ahmed, Y. Ren, Y. Yue, D. Rogawski, M.J. Willner, B.I. Erkmen, K.M. Birnbaum, S.J. Dolinar, M.P.J. Lavery, M.J. Padgett, M. Tur, A.E. Willner // Optics Letters. - 2014. - Vol. 39, Issue 2. - P. 197-200. - DOI: 10.1364/OL.39.000197.
  18. Soifer, V.A. Vortex beams in turbulent media: review / V.A. Soifer, О. Korotkova, S.N. Khonina, Е.А. Shchepakina // Computer Optics. - 2016. - Vol. 40(5). - P. 605-624. - DOI: 10.18287/2412-6179-2016-40-5-605-624.
  19. Durnin, J. Diffraction-free beams / J. Durnin, J.J. Miceli, Jr., J.H. Eberly // Physical Review Letters. - 1987. - Vol. 58, Issue 15. - P. 1499-1501. - DOI: 10.1103/PhysRevLett.58.1499.
  20. Kalosha, V.P. Toward the subdiffraction focusing limit of optical superresolution / V.P. Kalosha, I. Golub // Optics Letters. - 2007. - Vol. 32, Issue 24. - P. 3540-3542. - DOI: 10.1364/OL.32.003540.
  21. Khonina, S.N. Sharper focal spot for a radially polarized beam using ring aperture with phase jump / S.N. Khonina A.V. Ustinov // Journal of Engineering. - 2013. - Vol. 2013. - 512971. - DOI: 10.1155/2013/512971.
  22. Wang, K. Influence of the incident wave-front on intensity distribution of the nondiffracting beam used in large-scale measurement / K. Wang, L. Zeng, Ch. Yin // Optics Communication. - 2003. - Vol. 216, Issues 1-3. - P. 99-103. - DOI: 10.1016/S0030-4018(02)02307-6.
  23. Leitgeb, R.A. Extended focus depth for Fourier domain optical coherence microscopy / R.A. Leitgeb, M. Villiger, A.H. Bach­mann, L. Steinmann, T. Lasser // Optics Letters. - 2006. - Vol. 31, Issue 16. - P. 2450-2452. - DOI: 10.1364/OL.31.002450.
  24. Arimoto, R. Imaging properties of axicon in a scanning optical system / R. Arimoto, C. Saloma, T. Tanaka, S. Kawata // Applied Optics. - 1992. - Vol. 31, Issue 31. - P. 6653-6657. - DOI: 10.1364/AO.31.006653.
  25. Fortin, M. Optical tests with Bessel beam interferometry / M. Fortin, M. Piché, E.F. Borra // Optics Express. - 2004. - Vol. 2, Issue 24. - P. 5887-5895. - DOI: 10.1364/OPEX.12.005887.
  26. Garces-Chavez, V. Simultaneous micromanipulation in multiple planes using a self-reconstructing light beam / V. Garces-Chavez, D. McGloin, H. Melville, W. Sibbett, K. Dholakia // Nature. - 2002. - Vol. 419, Issue 6903. - P. 145-147. - DOI: 10.1038/nature01007.
  27. Arlt, J. Optical dipole traps and atomic waveguides based on Bessel light beams / J. Arlt, K. Dholakia, J. Soneson, E.M. Wright // Physical Review A. - 2001. - Vol. 63. - 063602. - DOI: 10.1103/PhysRevA.63.063602.
  28. Skidanov, R.V. Micromanipulation in higher-order Bessel beams / R.V. Skidanov, V.V. Kotlyar, S.N. Khonina, A.V. Volkov, V.A. Soifer // Optical Memory & Neural Networks (Information Optics). - 2007. - Vol. 16(2). - P. 91-98. - DOI: 10.3103/S1060992X07020051.
  29. McLeod, J.H. The axicon: a new type of optical element / J.H. McLeod // Journal of the Optical Society of America. - 1954. - Vol. 44, Issue 8. - P. 592-597. - DOI: 10.1364/JOSA.44.000592.
  30. Vasara, A. Realization of general nondiffracting beams with computer-generated holograms / A. Vasara, J. Turunen, A.T. Friberg // Journal of the Optical Society of America A. - 1989. - Vol. 6, Issue 11. - P. 1748-1754. - DOI: 10.1364/JOSAA.6.001748.
  31. Khonina, S.N. Diffractive axicon with tunable fill factor for focal ring splitting / S.N. Khonina, A.P. Porfirev, A.V. Ustinov // Proceedings of SPIE. - 2017. - Vol. 10233. - 102331P. - DOI: 10.1117/12.2265017.
  32. Хонина, С.Н. Дифракция на бинарных микроаксиконах в ближней зоне / С.Н. Хонина, Д.А. Савельев, П.Г. Серафимович, И.А. Пустовой // Оптический журнал. - 2012. - T. 79, № 10. - С. 22-29.
  33. Khonina, S.N. Experimental demonstration of the generation of the longitudinal E-field component on the optical axis with high-numerical-aperture binary axicons illuminated by linearly and circularly polarized beams / S.N. Khonina, S.V. Karpeev, S.V. Alferov, D.A. Savelyev, J. Laukkanen, J. Turunen // Journal of Optics. - 2013. - Vol. 15, Issue 8. - 085704. - DOI: 10.1088/2040-8978/15/8/085704.
  34. Хонина, С.Н. Высокоапертурные бинарные аксиконы для формирования продольной компоненты электрического поля на оптической оси при линейной и круговой поляризации освещающего пучка / С.Н. Хонина, Д.А. Савельев // Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 2013. - Т. 144, Вып. 4(10). - С. 718-726. - DOI: 10.7868/S0044451013100039.
  35. Khonina, S.N. A longitudinally polarized beam generated by a binary axicon / S.N. Khonina, S.A. Degtyarev // Journal of Russian Laser Research. - 2015. - Vol. 36, Issue 2. - P. 151-161. - DOI: 10.1007/s10946-015-9488-x.
  36. Shiyao, F. Bessel beams with spatial oscillating polarization / F. Shiyao, Z. Shikun, G. Chunqing // Scientific Reports. - 2016. - Vol. 6 - 30765. - DOI: 10.1038/srep30765.
  37. Khilo, N. A high-ef?cient method for generating radially and azimuthally polarized Bessel beams using biaxial crystals / N. Khilo, T.S. Al-Saud , S.H. Al-Khowaiter, M.K. Al-Muhanna, S. Solonevich, N. Kazak, A. Ryzhevich // Optics Communications. - 2012. - Vol. 285, Issue 24. - P. 4807-4810. - DOI: 10.1016/j.optcom.2012.07.130.
  38. Khonina, S.N. Polarization conversion under focusing of vortex laser beams along the axis of anisotropic crystals / S.N. Khonina, S.V. Karpeev, V.D. Paranin, A.A. Morozov // Physics Letters A. - 2017. - Vol. 381, Issue 30. - P. 2444-2455. - DOI: 10.1016/j.physleta.2017.05.025.
  39. Khonina, S.N. Focused, evanescent, hollow, and collimated beams formed by microaxicons with different conical angles / S.N. Khonina, S.A. Degtyarev, D.A. Savelyev, A.V. Ustinov // Optics Express. - 2017. - Vol. 25, Issue 16. - P. 19052-19064. - DOI: 10.1364/OE.25.019052.
  40. Khonina, S.N. Generating inhomogeneously polarized higher-order laser beams by use of diffractive optical elements / S.N. Khonina, S.V. Karpeev // Journal of the Optical Society of America A. - 2011. - Vol. 28, Issue 10. - P. 2115-2123. - DOI: 10.1364/JOSAA.28.002115.
  41. Скиданов, Р.В. Дифракционные аксиконы для формирования радиально-поляризованного света на основе использования стопы Столетова / Р.В. Скиданов, А.В. Морозов // Компьютерная оптика. - 2014. - Т. 38, № 4. - С. 614-618.
  42. Karpeev, S. Generation of a controlled double-ring-shaped radially polarized spiral laser beam using a combination of a binary axicon with an interference polarizer / S. Karpeev, V. Paranin, S. Khonina // Journal of Optics. - 2017. - Vol. 19, Issue 5. - 055701. - DOI: 10.1088/2040-8986/aa640c.
  43. Kawauchi, H. Simultaneous generation of helical beams with linear and radial polarization by use of a segmented half-wave plate / H. Kawauchi, Y. Kozawa, S. Sato, T. Sato, S. Kawakami // Optics Letters. - 2008. - Vol. 33, Issue 4. - P. 399-401. - DOI: 10.1364/OL.33.000399.
  44. Zhang, H. Expansion of the electromagnetic fields of a shaped beam in terms of cylindrical vector wavefunctions / H. Zhang, Y. Han, G. Han // Journal of the Optical Society of America B. - 2007. - Vol. 24, Issue 6. - P. 1383-1391. - DOI: 10.1364/JOSAB.24.001383.
  45. Khonina, S.N. Generation of cylindrical vector beams of high orders using uniaxial crystals / S.N. Khonina, S.V. Karpeev, S.V. Alferov, V.A. Soifer // Journal of Optics. - 2015. - Vol. 17, Issue 6. - 065001. - DOI: 10.1088/2040-8978/17/6/065001.
  46. Zhang, Y. Vector propagation of radially polarized Gaussian beams diffracted by an axicon / Y. Zhang, L. Wang, C. Zheng // Journal of the Optical Society of America A. - 2005. - Vol. 22, Issue 11. - P. 2542-2546. - DOI: 10.1364/JOSAA.22.002542.
  47. Khonina, S.N. Near-field propagation of vortex beams: models and computation algorithms / S.N. Khonina, A.V. Ustinov, A.A. Kovalyov, S.G. Volotovsky // Optical Memory and Neural Networks. - 2014. - Vol. 23, Issue 2. - P. 50-73. - DOI: 10.3103/S1060992X14020027.

© 2009, IPSI RAS
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: ko@smr.ru ; тел: +7 (846) 242-41-24 (ответственный секретарь), +7 (846) 332-56-22 (технический редактор), факс: +7 (846) 332-56-20