Сравнение фокусировки коротких импульсов в приближении Дебая
Хонина С.Н., Устинов А.В., Волотовский С.Г.

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

Аннотация:
Рассмотрены различные типы импульсов и свойства их частотных спектров. Расчёты показали, что существенное различие между импульсами начинается только при очень малых длительностях (менее периода осцилляции). В этом случае импульс Гаусса становится нефизичным и нужно использовать другие типы импульсов, например, импульс Пуассона. Выполнено сравнительное моделирование фокусировки коротких импульсов апланатическим объективом при различных состояниях поляризации и порядках вихревой сингулярности в приближении Дебая. Показано, что для субцикличного импульса Пуассона, имеющего значительную энергию в высоких частотах, состояние поляризации и наличие вихревой фазовой сингулярности существенно влияет на распределение в фокальной области.

Ключевые слова:
короткие импульсы, частотный спектр, фокусировка импульсов, острая фокусировка, апланатический объектив, приближение Дебая.

Цитирование:
Хонина, С.Н. Сравнение фокусировки коротких импульсов в приближении Дебая / С.Н. Хонина, А.В. Устинов, С.Г. Волотовский // Компьютерная оптика. – 2018. – Т. 42, № 3. – С. 432-446. – DOI: 10.18287/2412-6179-2018-42-3-432-446.

Литература:

  1. Wright, L.G. Controllable spatiotemporal nonlinear effects in multimode fibres / L.G. Wright, D.N. Christodoulides, F.W. Wise // Nature Photonics. – 2015. – Vol. 9. – P. 306-310. – DOI: 10.1038/nphoton.2015.61.
  2. Liu, W. 70-fs mode-locked erbium-doped fiber laser with topological insulator / W. Liu, L. Pang, H. Han, W. Tian, H. Chen, M. Lei, P. Yan, Z. Wei // Scientific Reports. – 2016. – Vol. 6. – 19997. – DOI: 10.1038/srep19997.
  3. Danson, C. Petawatt class lasers worldwide / C. Danson, D. Hillier, N. Hopps, D. Neely // High Power Laser Science and Engineering. – 2015. – Vol. 3. – E3. – DOI: 10.1017/hpl.2014.52.
  4. Бевзенко, И.Г. Исследование поведения сверхкоротких импульсов в многопроводных структурах с неоднородным диэлектрическим заполнением / И.Г. Бевзенко // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Информатика. Телекоммуникации. Управление. – 2016. – Т. 252, № 4. – С. 7-18. – DOI: 10.5862/JCSTCS.252.1.
  5. April, A. Ultrashort, strongly focused laser pulses in free space / A. April. – In book: Coherence and ultrashort pulse laser emission / ed. by F.J. Duarte. – Chapter 16. – InTech, 2010. – P. 355-382. – ISBN: 978-953-307-242-5.
  6. Wong, L.J. Improved beam waist formula for ultrashort, tightly-focused linearly, radially, and azimuthally polarized laser pulses in free space / L.J. Wong, F.X. Kärtner, S.G. Johnson // Optics Letters. – 2014. – Vol. 39, Issue 5. – P. 1258-1261. – DOI: 10.1364/OL.39.001258.
  7. Li, X. Fields of an ultrashort tightly focused laser pulse / X. Li, Y.I. Salamin, K.Z. Hatsagortsyan, C.H. Keitel // Journal of the Optical Society of America B. – 2016. – Vol. 33, Issue 3. – P. 405-411. – DOI: 10.1364/JOSAB.33.000405.
  8. Feng, S. Spatiotemporal structure of isodiffracting ultrashort electromagnetic pulses / S. Feng, H.G. Winful // Physical Review E. – 2000. – Vol. 61, Issue 1. – P. 862-873. – DOI: 10.1103/PhysRevE.61.862.
  9. Porras, M.A. Nonsinusoidal few-cycle pulsed light beams in free space / M.A. Porras // Journal of the Optical Society of America B. – 1999. – Vol. 16, Issue 9. – P. 1468-1474. – DOI: 10.1364/JOSAB.16.001468.
  10. Khonina, S.N. Ultrafast rotating dipole or propeller-shaped patterns: subwavelength shaping of a beam of light on a femtosecond time scale / S.N. Khonina, I. Golub // Optics Letters. – 2016. – Vol. 41, Issue 7. – P. 1605-1607. – DOI: 10.1364/OL.41.001605.
  11. Khonina, S.N. Time behavior of focused vector beams / S.N. Khonina, I. Golub // Journal of the Optical Society of America A. – 2016. – Vol. 33, Issue 10. – P. 1948-1954. – DOI: 10.1364/JOSAA.33.001948.
  12. Venkatakrishnanetal, T. Interconnect microvia drilling with a radially polarized laser beam / T. Venkatakrishnanetal, B. Tan // Journal of Micromechanics and Microengineering. – 2006. – Vol. 16(12). – 2603. – DOI: 10.1088/0960-1317/16/12/013.
  13. Omatsu, T. Metal microneedle fabrication using twisted light with spin / T. Omatsu, K. Chujo, K. Miyamoto, M. Okida, K. Nakamura, N. Aoki, R. Morita // Optics Express. – 2010. – Vol. 18, Issue 17. – P. 17967-17973. – DOI: 10.1364/OE.18.017967.
  14. Hnatovsky, C. Materials processing with a tightly focused femtosecond laser vortex pulse / C. Hnatovsky, V.G. Shvedov, W. Krolikowski, A.V. Rode // Optics Letters. – 2010. – Vol. 35, Issue 20. – P. 3417-3419. – DOI: 10.1364/OL.35.003417.
  15. Cheng, J. A review of ultrafast laser materials micromachining / J. Cheng, C. Liu, S. Shang, D. Liu, W. Perrie, G. Dearden, K. Watkins // Optics and Laser Technology. – 2013. – Vol. 46. – P. 88-102. – DOI: 10.1016/j.optlastec.2012.06.037.
  16. Заярный, Д.А. Наномасштабные процессы кипения при одноимпульсной фемтосекундной лазерной абляции золотых плёнок / Д.А. Заярный, А.А. Ионин, С.И. Кудря­шов, С.В. Макаров, А.А. Руденко, С.Г. Бежанов, С.А. Урю­пин, А.П. Канавин, В.И. Емельянов, С.В. Алферов, С.Н. Хонина, С.В. Карпеев, А.А. Кучмижак, О.Б. Витрик, Ю.Н. Кульчин // Письма в ЖЭТФ. – 2015. – Т. 101, Вып. 6. – C. 428-432. – DOI: 10.7868/S0370274X15060077.
  17. Syubaev, S. Direct laser printing of chiral plasmonic nanojets by vortex beams / S. Syubaev, A. Zhizhchenko, A. Kuchmizhak, A. Porfirev, E. Pustovalov, O. Vitrik, Yu. Kulchin, S. Khonina, S. Kudryashov // Optics Express. – 2017. – Vol. 25, Issue 9. – P. 10214-10223. – DOI: 10.1364/OE.25.010214.
  18. Saito, Y. z-Polarization sensitive detection in micro-Raman spectroscopy by radially polarized incident light / Y. Saito, M. Kobayashi, D. Hiraga, K. Fujita, S. Kawano, N.I. Smith, Y. Inouye, S. Kawata // Journal of Raman Spectroscopy. – 2008. – Vol. 39, Issue 11. – P. 1643-1648. – DOI: 10.1002/jrs.1953.
  19. Chen, Y.-H. Direct measurement of the electron density of extended femtosecond laser pulse-induced filaments / Y.-H. Chen, S. Varma, T.M. Antonsen, H.M. Milchberg // Physical Review Letters. – 2010. – Vol. 105. – 215005. – DOI: 10.1103/PhysRevLett.105.215005.
  20. Belgiorno, F. Hawking radiation from ultrashort laser pulse filaments / F. Belgiorno, S.L. Cacciatori, M. Clerici, V. Gorini, G. Ortenzi, L. Rizzi, E. Rubino, V.G. Sala, D. Faccio // Physical Review Letters. – 2010. – Vol. 105. – 203901. – DOI: 10.1103/PhysRevLett.105.203901.
  21. Okamuro, K. Laser fluence dependence of periodic grating structures formed on metal surfaces under femtosecond laser pulse irradiation / K. Okamuro, M. Hashida, Y. Miyasaka, Y. Ikuta, Sh. Tokita, Sh. Sakabe // Physical Review B. – 2010. – Vol. 82, Issue 16. – 165417. – DOI: 10.1103/PhysRevB.82.165417.
  22. Zimmermann, F. Ultrashort laser pulse induced nanogratings in borosilicate glass / F. Zimmermann, A. Plech, S. Richter, // Applied Physics Letters. – 2014. – Vol. 104, Issue 21. – 211107. – DOI: 10.1063/1.4880658.
  23. 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 and Interfaces. – 2016. – Vol. 8, Issue 37. – P. 24946-24955. – DOI: 10.1021/acsami.6b07740.
  24. Kuchmizhak, A.A. Multi-beam pulsed-laser patterning of plasmonic films using broadband diffractive optical elements / A.A. Kuchmizhak, A.P. Porfirev, S.A. Syubaev, P.A. Dani­lov, A.A. Ionin, O.B. Vitrik, Yu.N. Kulchin, S.N. Khonina, S.I. Kudryashov // Optics Letters. – 2017. – Vol. 42, Issue 14. – P. 2838-2841. – DOI: 10.1364/OL.42.002838.
  25. Syubaev, S. Zero-orbital-angular-momentum laser printing of chiral nanoneedles / S. Syubaev, A. Porfirev, A. Zhizhchenko, O. Vitrik, S. Kudryashov, S. Fomchenkov, S. Khonina, A. Kuchmizhak // Optics Letters. – 2017. – Vol. 42, Issue 23. – P. 5022-5025. – DOI: 10.1364/OL.42.005022.
  26. Agate, B. Femtosecond optical tweezers for in-situ control of two-photon fluorescence / B. Agate, C.T.A. Brown, W. Sibbett, K. Dholakia // Optics Express. – 2004. – Vol. 12, Issue 13. – P. 3011-3017. – DOI: 10.1364/OPEX.12.003011.
  27. Wang, L.-G. Dynamic radiation force of a pulsed Gaussian beam acting on a Rayleigh dielectric sphere / L.-G. Wang, C.-L. Zhao // Optics Express. – 2007. – Vol. 15, Issue 17. – P. 10615-10621. – DOI: 10.1364/OE.15.010615.
  28. Caron, C.F.R. Free-space propagation of ultrashort pulses: space-time couplings in Gaussian pulse beams / C.F.R. Caron, R.M. Potvliege // Journal of Modern Optics. – 1999. – Vol. 46, Issue 13. – P. 1881-1891. – DOI: 10.1080/09500349908231378.
  29. April, A. Tightly focused, ultrafast TM01 laser pulses / A. April // Proceedings of SPIE. – 2009. – Vol. 7386. – 73862X. – DOI: 10.1117/12.838383.
  30. Ziolkowski, R.W. Localized transmission of electromagnetic energy / R.W. Ziolkowski // Physical Review A. – 1989. – Vol. 39. – P. 2005-2033. – DOI: 10.1103/PhysRevA.39.2005.
  31. Cai, X.-M. Electron acceleration by subcycle pulsed focused vector beams / X.-M. Cai, J.-Y. Zhao, Q. Lin, J.-L. Luo // Journal of the Optical Society of America B. – 2016. – Vol. 33, Issue 2. – P. 158-164. – DOI: 10.1364/JOSAB.33.000158.
  32. Richards, B. Electromagnetic diffraction in optical systems. II. Structure of the image field in an aplanatic system / B. Richards, E. Wolf // Proceedings of the Royal Society A. – 1959. – Vol. 253, Issue 1274. – P. 358-379. – DOI: 10.1098/rspa.1959.0200.
  33. Miloševic, D.B. Above-threshold ionization by few-cycle pulses / D.B. Miloševic, G.G. Paulus, D. Bauer, W. Becker / Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics. – 2006. – Vol. 39(14). – P. R203-R262. – DOI: 10.1088/0953-4075/39/14/R01.
  34. Фемтосекундная оптика: Учебно-методическое пособие / Д.А. Яшунин, Ю.А. Мальков, С.Б. Бодров. – Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2014. – 40 с.
  35. Khonina, S.N. Simple phase optical elements for narrowing of a focal spot in high-numerical-aperture conditions / S.N. Khonina // Optical Engineering. – 2013. – Vol. 52, Issue 9. – 091711. – DOI: 10.1117/1.OE.52.9.091711.
  36. Feng, S. Gouy shift and temporal reshaping of focused single-cycle electromagnetic pulses / S. Feng, H.G. Winful, R.W. Hellwarth // Optics Letters. – 1998. – Vol. 23, Issue 5. – P. 385-387. – DOI: 10.1364/OL.23.000385.
  37. Dorn, R. Sharper focus for a radially polarized light beam / R. Dorn, S. Quabis, G. Leuchs // Physical Review Letters. – 2003. – Vol. 91, Issue 23. – 233901. – DOI: 10.1103/PhysRevLett.91.233901.
  38. Khonina, S.N. Enlightening darkness to diffraction limit and beyond: comparison and optimization of different polarizations for dark spot generation / S.N. Khonina, I. Golub // Journal of the Optical Society of America A. – 2012. – Vol. 29, Issue 7. – P. 1470-1474. – DOI: 10.1364/JOSAA.29.001470.
  39. Huse, N. Z-polarized confocal microscopy / N. Huse, A. Schönle, S.W. Hell // Journal of Biomedical Optics. – 2001. – Vol. 6, Issue 3. – P. 273-276. – DOI: 10.1117/1.1382610.
  40. Pereira, S.F. Superresolution by means of polarisation, phase and amplitude pupil masks / S.F. Pereira, A.S. van de Nes // Optics Communications. – 2004. – Vol. 234, Issues 1-6. – P. 119-124. – DOI: 10.1016/j.optcom.2004.02.020.
  41. Khonina, S.N. Optimization of focusing of linearly polarized light / S.N. Khonina, I. Golub // Optics Letters. – 2011. – Vol. 36, Issue 3. – P. 352-354. – DOI: 10.1364/OL.36.000352.
  42. Saari, P. Pulsed Bessel beams / P. Saari, H. Sonajalg // Laser Physics. – 1997. – Vol. 7, No. 1. – P. 32-39.
  43. Sheppard, C.J.R. Bessel pulse beams and focus wave modes / C.J.R. Sheppard // Journal of the Optical Society of America A. – 2001. – Vol. 18, Issue 10. – P. 2594-2600. – DOI: 10.1364/JOSAA.18.002594.
  44. 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.
  45. Khonina, S.N. Narrowing of a light spot at diffraction of linearly-polarized beam on binary asymmetric axicons / S.N. Khonina, D.V. Nesterenko, A.A. Morozov, R.V. Skidanov, V.A. Soifer // Optical Memory and Neural Networks (Information Optics). – 2012. – Vol. 21, Issue 1. – P. 17-26. – DOI: 10.3103/S1060992X12010043.
  46. Khonina, S.N. Vortex phase transmission function as a factor to reduce the focal spot of high-aperture focusing system / S.N. Khonina, N.L. Kazanskiy, S.G. Volotovsky // Journal of Modern Optics. – 2011. – Vol. 58, Issue 9. – P. 748-760. – DOI: 10.1080/09500340.2011.568710.
  47. Khonina, S.N. Tighter focus for ultrashort pulse vector light beams: Change of the relative contribution of different field components to the focal spot upon pulse shortening / S.N. Khonina, I. Golub // Journal of the Optical Society of America A. – 2018. – Vol. 35, Issue 6. – P. 985-991. – DOI: https://doi.org/10.1364/JOSAA.35.000985.

  48. © 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