Экспериментальная реализация поляризационно-модовых преобразований для управления распределением компонент электрического поля остросфокусированных лазерных пучков тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правах рукописи

Алфёров Сергей Владимирович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПОЛЯРИЗАЦИОННО-

МОДОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ КОМПОНЕНТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ ОСТРОСФОКУСИРОВАННЫХ ЛАЗЕРНЫХ ПУЧКОВ

01.04.05 - Оптика

Автореферат ] И ЮЛ 2014

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

1 п ИЮЛ 2014

Самара-2014

005550504

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)» на кафедре наноинже-нерии и федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте систем обработки изображений Российской академии наук.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук, доцент

Карпеев Сергей Владимирович

Официальные оппоненты:

Ежов Евгений Григорьевич, доктор физико-математических наук, доцент, профессор кафедры «Информационно-вычислительные системы» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства»;

Котова Светлана Павловна, кандидат физико-математических наук, заведующая лабораторией моделирования и автоматизации лазерных систем Самарского филиала федерального государственного бюджетного учреждения науки Физического института имени П.Н. Лебедева Российской академии наук.

Ведущая организация - федеральное государственное бюджетное учреждения науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук.

Защита диссертации состоится 3 октября 2014 г. в 1000 на заседании диссертационного совета Д 212.215.01, созданного при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)» (СГАУ), по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, д.34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГАУ и на сайте www.ssau.ru

Автореферат разослан 7 июля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., профессор

Шяш^

В.Г. Шахов

Общая характеристика работы

Актуальность. Развитие нанотехнологий требует новых методов формирования и исследования световых полей с субволновыми размерами областей локализации энергии. Подобные задачи характеризуются непараксиальным распространением света и невозможностью применения скалярного приближения. На первый план выходит распределение энергии электрического поля по компонентам и, как следствие, поляризационные характеристики излучения. Поля-ризационно-неоднородные лазерные пучки находят свое применение в таких приложениях как острая фокусировка, ускорение электронов, микроэлипсомет-рия, сверхразрешение. Острая фокусировка пучков с неоднородной поляризацией (Kozawa Y., 2007) является одним из наиболее перспективных подходов к преодолению дифракционного предела в оптике. При радиальной поляризации в этом случае в фокусе возникает мощная" продольная компонента электрического поля (Lerman G.M., 2008). Именно этот факт стал толчком к разработке новых методов формирования поляризационно-неоднородных лазерных пучков. Также при острой фокусировке пучков с неоднородной поляризацией определенные преимущества дают модовые пучки высоких порядков.

Хорошо известен метод формирования пучков с радиальной и азимутальной поляризацией, основанный на применении секторных пластинок, в которых сектора представляют собой соответствующим образом ориентированные либо полуволновые пластинки (Machavariani, 2007),. либо-пленочные поляризаторы (Zhongsheng Man, 2013). Однако такой метод требует применения пространственной фильтрации- полученного пучка для устранения негативного влияния границ секторов, что приводит к дополнительным потерям энергии. Актуальным является вопрос выбора областей применимости данного метода, где указанные недостатки не играют решающей роли.

Другая группа методов основана на когерентной суперпозиции пары обычных мод с помощью интерферометра (Tidwell S.C., 1993). Исходные моды получают разными способами, причем одним из наиболее перспективных является вариант получения исходных мод при помощи дифракционных оптических элементов (ДОЭ). В работе (Niu С.Н:, 2005) предложен специальный ДОЭ, выполненный на подложке из двулучепреломляющего материала. В качестве недостатков метода следует, прежде всего, отметить высокую сложность изготовления такого многоуровневого ДОЭ. Весьма перспективным является вариант получения неоднородно-поляризованных мод (Tidwell S.C., 1990), который основан на суммировании двух пучков с правой и левой круговыми поляризациями и фазовыми сингулярностями противоположных знаков. Применение ДОЭ даёт возможность получения радиально-поляризованных мод более высоких порядков без дополнительных оптических элементов. Таким образом, задача разработки новых оптических систем, включающих ДОЭ для поляризационно-модовых преобразований, в том числе мод высоких порядков, представляется актуальной.

Из этой задачи следует другая, а именно, задача исследования распределения компонент электрического поля при острой фокусировке пучков с различ-

ными поляризационными состояниями. Применяют методы флюоресценции молекул с дипольным моментом (Beversluis, 2001), оптического ножа (DornR., 2003). но наиболее универсальным средством исследования распределений интенсивности электромагнитного излучения с субволновым разрешением является метод ближнепольной микроскопии с апертурным металлизированным волоконным зондом. При этом актуальной является задача исследования поляризационной чувствительности таких зондов.

Другой известный подход к проблеме достижения сверхразрешения состоит в использовании как рефракционных (Kalosha V.P., 2007), так и дифракционных (Котляр В.В., 2009) аксиконов. Широкие возможности, которые не исчерпываются известными работами, дает применение различных типов дифракционных аксиконов совместно с различно поляризованными пучками. Кроме уменьшения центрального пятна, и формирования продольной компоненты, можно назвать также формирование разного рода провалов (dark spot) в фокальной зоне. Все это делает актуальным экспериментальное формирование требуемых распределений электрического поля в фокальной плоскости путем реализации новых сочетаний разных типов фокусирующих ДОЭ с различно поляризованными освещающими пучками.

Цель диссертационной работы:

Экспериментальная реализация поляризационно-модовых преобразований на основе применения ДОЭ для управления распределением компонент электрического поля остросфокусированных лазерных пучков.

Задачи:

1. Разработать оптические схемы формирования неоднородно-поляризованных лазерных пучков высоких порядков с помощью оптических систем, включающих ДОЭ.

2. Экспериментально исследовать поляризационную чувствительность ближнепольных металлизированных зондов.

3. Исследовать распределения компонент электрического поля в остросфокусированных пучках различных мод с различными поляризациями методами ближнепольной микроскопии с помощью металлизированных волоконных зондов.

4. Экспериментально осуществить управление вкладом компонент электрического поля в фокальной плоскости с помощью новых сочетаний разных типов фокусирующих ДОЭ с различно поляризованными освещающими пучками.

Научная новизна работы:

1. Предложен и экспериментально реализован метод формирования модовых пучков высоких порядков с радиальной и азимутальной поляризациями на основе сложения пучков с круговыми поляризациями и фазовыми син-гулярностями противоположных знаков, полученных при помощи ДОЭ. На выходе оптической системы при помощи двух различных ДОЭ получены ра-диально- и азимутально-поляризованные пучки Лагерра-Гаусса (ЛГ) (3,0) и

пучки Бесселя нулевого порядка. Для амплитудных ДОЭ экспериментально получена энергетическая эффективность 7% в каждом из одновременно формируемых двух пучков с радиальной и азимутальной поляризацией. Также экспериментально реализован метод формирования радиапьно- и азимуталь-но-поляризованных пучков Лагерра-Гаусса (3,0) внутри двулучепреломляю-щего кристалла в разных фокусах, соответствующих обыкновенным и необыкновенным лучам.

2. Разработан метод экспериментального исследования чувствительности ближнепольного металлизированного зонда к различным компонентам электрического поля на основе применения фазовой пластинки со ступенчатым профилем, дающим сдвиг на л. При помощи разработанного метода определено значительное преобладание чувствительности к продольной компоненте электрического поля для ближнепольного зонда с апертурой 50100 нм. Обнаружено существенное перераспределение чувствительности в пользу поперечных компонент и общий рост чувствительности при увеличении на порядок размера апертуры зонда.

3. Экспериментально доказано усиление продольной компоненты и уменьшение размера центрального пятна, при фокусировке радиально-поляризованного пучка Лагерра-Гаусса (3,0) и пучка Бесселя нулевого порядка при числовой апертуре (ЫА) 0,8 по сравнению с фокусировкой ради-ально-поляризованной низшей гауссовой моды. Дискретность измерения составляла ±20им (0,03Х. для волны 633 нм) и определялась конструкцией пьезоэлектрического привода. Ширина по полуспаду интенсивности (Р\УНМ) центрального пятна пучка Лагерра-Гаусса (3,0) согласуется с результатами моделирования для ЫА=0,8 и составляет 0,85Х±0,03А. против 1,2Х±0,03Х. у пучка Бесселя, при этом относительная интенсивность боковых лепестков пучка Лагерра-Гаусса (3,0) около 0,25, а у пучка Бесселя около 0,11.

4. Улучшены результаты фокусировки осесимметричным аксиконом пучков с линейной, круговой, радиальной и азимутальной поляризациями путем сочетания модифицированных аксиконов с различно поляризованными пучками. Так, при фокусировке биаксиконом экспериментально доказано наличие продольной компоненты электрического поля в центре пучка дня линейной и круговой поляризации падающего излучения, причем для линейной и круговой поляризации пятно состоит преимущественно из продольной компоненты и ширина по полуспаду интенсивности для продольной компоненты (Р\УНМг) не превышает 0,32Х±0,03Х для ^=0,95, в то время как у осесим-метричного аксикона размер пятна 0,41Х-0,67Х±0,03А. в зависимости от поляризации. Показана возможность регулировки вклада продольной компоненты электрического поля на оптической оси при линейной поляризации падающего на биаксикон излучения путем вращения оптического элемента. При фокусировке спиральным аксиконом излучения с круговой поляризацией, совпадающей по направлению вращения с фазовым вихрем, центральное пятно уменьшается в размере по сравнению с осесимметричным аксиконом с FWHM=0.б7A±0,03X до Р\УНМ=0.37Х±0,03Х. При освещении осесимметрич-

ного аксикона пучком с радиальной поляризацией на оптической оси формируется круглое пятно (Р\УНМ2=0,38^±0.03Х), состоящее преимущественно из продольной компоненты, а при освещении спирального аксикона пучком с азимутальной поляризацией формируется круглое пятно близких размеров (Р\УНМ=0,37Х±0,03Х), состоящее в основном из поперечных компонент электрического поля.

Практическая значимость:

Полученные и исследованные в диссертации методы и оптические схемы формирования пучков с радиальной и азимутальной поляризацией, а также апробированные сочетания элементов фокусирующей оптики с различно поляризованными пучками могут применяться при лазерной обработке материалов, ускорении электронов, а также других практических задачах, связанных с необходимостью управления распределением компонент остросфокусиро-ванных пучков лазерного излучения.

На публичную защиту выносятся следующие положения:

1. Возможно формирование радиально- и азимутально-поляризованных пучков Лагерра-Гаусса (3,0) и Бесселя нулевого порядка с радиальной и азимутальной поляризациями на основе сложения пучков с круговыми поляризациями и фазовыми сингулярностями противоположных знаков, полученных при помощи ДОЭ, а также формирование радиально- и ази-мутально-поляризованного пучка Лагерра-Гаусса (3,0) внутри двулучепре-ломляющего кристалла в фокусах, соответствующих обыкновенным и необыкновенным лучам.

2. Пластинка с фазовым скачком, дающим сдвиг на ж, позволяет исследовать чувствительность ближнепольного металлизированного зонда к различным компонентам электрического поля. Для ближнепольного зонда с апертурой 50-100 нм преобладает чувствительность к продольной компоненте. При увеличении на порядок размера апертуры зонда на фоне общего роста чувствительности происходит ее перераспределение в пользу поперечных компонент.

3. При острой фокусировке безимерсионным микрообъективом с ЫА=0,8 радиально-поляризованных пучка Лагерра-Гаусса (3,0) и пучка Бесселя нулевого порядка происходит усиление продольной компоненты и уменьшение центрального пятна по сравнению с фокусировкой радиально-поляризованной низшей гауссовой моды. При этом центральное пятно пучка Лагерра-Гаусса (3,0) составляет 0,85Х против 1,2Х у пучка Бесселя, относительная интенсивность боковых лепестков пучка Лагерра-Гаусса (3,0) составляет около 0,25, а у пучка Бесселя 0,11.

4. При острой фокусировке биаксиконом линейно- и циркулярно-поляризованного излучения в центре пучка присутствует продольная компонента электрического поля, причем при линейной поляризации падающего излучения ее вклад можно менять вращением биаксикона. При фокусировке (ЫА=0,95) спиральным аксиконом излучения с круговой поляризацией, совпадающей по направлению вращения с фазовым вихрем, центральное пятно

уменьшается в размере по сравнению с осесимметричным аксиконом с FWHM = 0,67Ш,03Х до FWHM = 0,37А±0,03Х. При освещении осесиммет-ричного аксикона пучком с радиальной поляризацией на оптической оси формируется круглое пятно (FWHM=0,38X±0,03X), состоящее преимущественно из продольной компоненты, а при освещении спирального аксикона пучком с азимутальной поляризацией формируется круглое пятно близких размеров (FWHM=0,37X±0,03X), состоящее в основном из поперечных компонент электрического поля.

Достоверность полученных результатов:

Достоверность полученных результатов подтверждается соответствием результатов расчетов и моделирования экспериментальным данным.

Авторский вклад:

Все результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично, либо при его определяющем личном участии.

Публикации:

По материалам диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе 13 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 4 статьи в сборниках трудов конференций.

Апробация работы:

Основные результаты работы докладывались на международных и всероссийских конференциях, в том числе: Четвертая Всероссийская молодежная конференция «Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики», ФИАН, Москва, 2011; 15th International Conference on Laser Optics, St.Petersburg, 2012; XIV Школа молодых ученых «Актуальные проблемы физики», ФИАН, Звенигород, 2012; XI Всероссийский молодежный Самарский конкурс-конференция научных работ по оптике и лазерной физике, ФИАН, Самара, 2012; 20th International Symposium Nanostructures: Physics and Technology, Samara, 2012; Девятнадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых учёных, Архангельск, 2013; International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO/LAT), Moscow, 2013; International Conference «Optical Technologies for Telecommunications 2013», Samara, 2013.

Объём и структура диссертации:

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованных источников. Общий объём диссертации составляет 112 страниц машинописного текста и содержит 39 рисунков, 15 таблиц и список литературы, содержащий 126 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, изложены основные результаты работы и их научная новизна, приведены положения, выносимые на защиту, описана структура диссертации.

В первой главе, на основе анализа методов формирования неоднородно-поляризованных лазерных пучков, предложен метод получения радиально- и азимутально-поляризованных мод низких и высоких порядков, основанный на суммировании двух пучков с круговой поляризацией и фазовыми вихрями, сформированных при помощи дифракционных оптических элементов (ДОЭ). Дифракционные оптические элементы позволяют получать из основной моды лазера пары других моды с высокой эффективностью. Предложена оптическая схема, реализующая данный метод (рисунок 1), на основе интерференционного сложения пучков с фазовыми сингулярностями противоположных знаков. Данная система одновременно формирует в разных лучах на выходе радиально- и азимутально-поляризованную моду.

полей с круговыми поляризациями и фазовыми вихревыми пучками первого порядка с противоположными знаками. S -непрозрачная диафрагма, WP1, WP2 - четвертьволновые пластинки, С - компенсатор. CD - ДОЭ с несущей

частотой, BS - светоделитель, Р - поляризатор-анализатор, L - Фурье-объектив, CCD - ПЗС-камера, CD1, CD2 - ДОЭ с несущей частотой, G - дифракционная решётка, Р - поляризатор-анализатор, L - Фурье-объектив, CCD - ПЗС-камера

Для указанной схемы были изготовлены бинарные амплитудные ДОЭ размером 8><8 мм, показанные на рисунке 2. Измеренная энергетическая эффективность формирования одного из двух пучков на выходе составила 7% и может быть увеличена до 40% при использовании фазовых ДОЭ и просветленной оптики.

Рисунок 2 - Вид бинарных кодированных ДОЭ (центральная часть), формирующих фундаментальную гауссову моду (а), пучки Лагерра-Гаусса ЛГ (3.0) (Ь) и Бесселя (с) с добавленными вихревыми фазовыми составляющими первого порядка. Выноска на (а) показывает увеличенный фрагмент ДОЭ

Неоднородно-поляризованные пучки на выходе оптической системы в ближней и дальней зоне при разных положениях анализатора показаны на рисунке 3.

1- 2 1 3 и 4 +- 5 \

а) ш Ж %4

б) ' л* • 2)

в) Ф § ( л« %

г) о о ^ )) € 4

Рисунок 3 - Распределения интенсивности (негатив) на выходе оптической схемы: 1 - без анализатора; далее при различных положениях анализатора, пучок ЛГ (3,0) в ближней и дальней зонах (а, б) и пучок Бесселя в ближней и дальней зонах (в, г)

В первой главе также предложена оптическая система, включающая анизотропный кристалл, которая позволяет эффективно формировать пучки мод низких и высоких порядков с радиальной и азимутальной поляризациями высокого качества с эффективностью до 50%.

Во второй главе разработаны методы и проведены исследования распределения компонент электрического поля в остросфокусированных пучках с различными поляризациями. На основе сделанного обзора показано, что наиболее универсальным средством исследования распределений интенсивности электромагнитного излучения с субволновым разрешением является метод ближнепольной микроскопии с апертурным металлизированным волоконным зондом (СБОМ). Для исследования чувствительности апертурных металлизированных волоконных зондов к продольным и поперечным компонентам измеряемого электрического поля предложено использование фазовой пластинки со ступенчатым профилем, дающим фазовый сдвиг на п. Вращение фазовой пластинки позволяет динамически менять фокальную картину и рас-

пределение компонент электрического поля. Результаты экспериментов по исследованию остросфокусированных полей с различным соотношением поперечных и продольной компонент электрического поля в сравнении с результаты моделирования фокусировки равномерного излучения с линейной у-поляризацией с помощью апланатического объектива с NA = 0,8 приведены на рисунке 4.

а)

б)

Рисунок 4 - Картины, полученные с помощью ближнепольного микроскопа (4 мкм х 4 мкм) с использованием стандартного зонда: в отсутствие фазовой пластинки (а), при расположении фазового скачка перпендикулярно оси поляризации (б), при расположении фазового скачка параллельно оси поляризации (в) (на врезках для сравнения приведены результаты моделирования интенсивности для продольной компоненты электрического поля)

Сравнение результатов натурного эксперимента и моделирования показывает, что основной вклад в измеренную интенсивность даёт продольная компонента электрического поля. Низкий коэффициент передачи зонда приводит к высокому уровню шумов на зарегистрированных распределениях.

Проведенные исследования поляризационной чувствительности позволили экспериментально исследовать эффекты, возникающих при острой фокусировке пучков высоких порядков с радиальной и азимутальной поляризациями. Сравнительный анализ результатов моделирования и экспериментальной фокусировки низшей гауссовой моды и многокольцевых (высшие моды) пучков приведен в таблице 1. Здесь и далее (Глава 3) сравнение производилось по различным критериям: Р\УНМ - ширина на полувысоте для максимума или минимума интенсивности, Р\УНМг - ширина на полувысоте для максимума или минимума интенсивности продольной компоненты электрического поля; Б -относительная интенсивность боковых лепестков. Основные качественные особенности, отмеченные при моделировании, были подтверждены экспериментально, а именно: наиболее узкий центральный пик у пучка Ла-герра-Гаусса (3,0). Однако уровень боковых лепестков для нее также максимальный. Бесселев пучок по вкладу продольной компоненты и ширине центрального пика занимает промежуточное положение между модой Лагерра-Гаусса и низшей гауссовой модой, но позволяет формировать распределение энергии с низким уровнем боковых лепестков. Для мод высоких порядков количественные отклонения экспериментальных результатов от результатов моделирования не превышали 10%. Для гауссова пучка отклонение выше, что можно объяснить неточностью положения фокальной плоскости при скани-

ровании, высоким уровнем шумов, а также малыми интенсивностями продольной компоненты.

В третьей главе исследованы возможности применения фокусирующих ДОЭ для управление вкладом компонент электрического поля в фокальной области.

Таблица 1 - Теоретическое и экспериментальное исследование острой фокусировки цилиндрических пучков (распределение интенсивности)

Гауссов пучок

Бесселев пучок

Пучок Лагерра-Гаусса

Радиальная поляризация

Ж

2.4 |дт—

г

-1 О 1цт

X

Теор.: 8=0,16, Р\¥НМ=1,17Х,

—-3.6 цт -

1

) У —

-2-1 0 I 2цт

Эксп.: 5=0,11, Р\УНМ=1.2Х

151

Теор.:, 5=0,21, РА¥НМ=0,82Х

у

I

АЛ \

0 2рт

Эксп.: 8=0,27; FWHM=0,85X

Азимутальная поляризация

Ж

Теор.: РШНМ=0,77Х

-1.« 0.5 0 0.5 |1Ш

Эксп.: FWHM=1,15X

С

Теор.: 8=0,17, Р\УНМ=0,62Х

-к ..

Г) Л /

.1 0 11т

Эксп.: 8=0,12; Р\УНМ=0,7Х

Теор.: FWHM=0,48X, 8=0,26

№ А

Г V А

-2 -I О 1 мш

Эксп.: 8=0,47; Р\¥НМ=0,61Х

Исследовались три типа высокоапертурных (ЫА=0,95) бинарно-фазовых аксикона (см. рисунок 5) при различных сочетаниях поляризационного состояния входного пучка и функции пропускания фокусирующего ДОЭ.

а)

В таблице 2 приведены теоретические и экспериментальные распределения интенсивности для некоторых случаев фокусировки высокоапертурными аксиконами, когда достигается улучшение известных результатов.

Таблица 2 - Теоретическое и экспериментальное исследование острой фокусировки аксиконами различно поляризованных пучков_

Общий вид Детальная картина (экспериментальная и теоретическая)

Поляризация перпендикулярна линии фазового скачка Поляризация параллельна линии фазового скачка

7 6 5 ■1 3 2 1 Щ % ' V ,. Л1КЧ 7 6 5 4 3 2 1 { -- «жД

Биаксико 0 ' 5 ¡0 ¡3 ¿0 > Эксперимент: Р\¥НМ = 0,18 мкм = 0,34А., Теор.: Р \УНМ = 0.52А, Р\VHMr = 0,32Х. о 5 10 15 20 ■> ш . Ч * Эксперимент: Р\УНМ = 0,24 мкм = 0,45Х.

Круговая поляризация

ж о

я 0 И « « 3 1 л 4 3 Г мкм -а? жЪ / 4 ^ ¿Я / Ф * " " Эксперимент: FWHM = 0,20 мкм = 0,37Х Ш *

я с О п 2 4 Л Я 1(1 Теор.: FWHM = 0,54A., Р\УНМЬ = 0,38А.

б) в)

Рисунок 5 - Вид трёх типов бинарных аксиконов в сканирующем электронном микроскопе: осесимметричного (а), биаксикона (б) и спирального (в)

Продолжение таблицы 2

я

о

X

к

о X я

(Л

Эксперимент: Р\¥НМ = 0,19 мкм =0,36Х

г

С _

Ч У

Теор.: Р\УНМ(-)=1,32А., Р\УНМг(~) = 0.32Х

Неоднородные поляризации

Вид аксикона

Радиальная

Азимутальная

Спиральный аксикон

*4,

о

Слева: экспериментальное распределение

Эксперимент РД¥НМ= 0,37Х.

Осесимметричный Аксикон

•Р*

Слева: эксперимент Р\УНМ= 0,3 8 А.

Для линейно-поляризованного излучения, падающего на биаксикон, дифракционный предел преодолевается только при перпендикулярности фазового скачка оси поляризации. Спиральный аксикон формирует компактное световое пятно на оптической оси при совпадении направлений фазового вихря и круговой поляризации. Дискретность измерения составляла ±20нм (0,03Х для волны 633 нм) и определялась конструкцией пьезоэлектрического привода (СБОМ). При освещении осесимметричного аксикона пучком с радиальной поляризацией на оптической оси формируется круглое пятно (ртЛ'НМЮ.ЗвШ^ОЗХ), состоящее преимущественно из продольной компоненты. Спиральный аксикон формирует круглое пятно компактных размеров (Р\УНМ= 0,37Х±0,03Х), состоящее в основном из поперечных компонент электрического поля, при освещении пучком с азимутальной поляризацией.

Основные результаты работы

1. Разработана оптическая схема и экспериментально реализован поляризационный конвертор для преобразования плоскополяризованного излучения основной моды лазера в радиапьно- и азимутально-поляризованное излучение мод высоких и низких порядков на основе сложения пучков с фазовыми сингулярностями противоположных знаков, полученных на основе использования ДОЭ. При помощи амплитудных ДОЭ получены радиально- и азимутально-поляризованные пучки Лагерра-Гаусса (3,0) и пучок Бесселя нулевого порядка с энергетической эффективностью по 7% в каждом из одновременно формируемых пучков с радиальной и азимутальной'поляризацией. Теоретически, максимальная эффективность предложенного конвертора составляет около 40% в каждом (тучке при использовании фазовых ДОЭ. Исследован метод формирования неоднородно-поляризованных пучков из пучка с круговой поляризацией на основе двулучепреломляющего кристалла исландского шпата. Радиально- и азимутально-поляризованные пучки Лагерра-Гаусса (3,0) сформированы внутри двулучепреломляющего кристалла в разных фокусах, соответствующих обыкновенным и необыкновенным лучам.

2. Предложен и реализован метод исследования поляризационной чувствительности ближнепольного металлизированного зонда на основе острой фокусировки излучения, прошедшего через фазовую пластинку со ступенькой, дающей задержку на л. Для ближнепольного зонда с апертурой 50100 нм определено значительное преобладание чувствительности к продольной компоненте электрического поля. Для зонда с увеличенной на порядок апертурой на фоне общего роста чувствительности и снижения шума обнаружено фактически полное перераспределение чувствительности в пользу поперечных компонент.

3. Экспериментально доказано увеличение вклада в интенсивность' продольной компоненты и уменьшение размера центрального пятна при фокусировке радиапьно-поляризованных'пучКа Лагерра-Гаусса (3,0) и пучка Бесселя нулевого порядка по сравнению с фокусировкой радиально-поляризованной низшей гауссовой моды. Ширина по полуспаду интенсивности (Р\УНМ) центрального пятна пучка Лагерра-Гаусса (3,0) согласуется с результатами моделирования для ЫА=0,8 и составляет 0,85Х±0,03Х против 1,2А±0,03А. у пучка Бесселя, при этом относительная интенсивность боковых лепестков пучка Лагерра-Гаусса (3,0) составляет около 0,25, а у пучка Бесселя около 0,11.

4. Проведены исследования возможности управления распределением компонент электрического поДя при острой фокусировке излучения с однородной и неоднородной поляризациями различными типами бинарно-фазовых ак-сиконов. При фокусировке биаксиконом (КА=0,95) экспериментально доказано наличие продольной компонент электрического поля в центре пучка для линейной и круговой поляризации падающего излучения, причем для

линейной поляризации FWHM=0,34X±0,03X, а для круговой FWHM=0.36X±0,03>., что наиболее близко к теоретическому FWHMz=0,32X для продольной компоненты (z-компоненты). Показана возможность регулировки вклада продольной компоненты электрического поля на оптической оси при линейной поляризации падающего на биаксикон излучения путем вращения оптического элемента. При фокусировке (NA=0,95) спиральным аксиконом излучения с круговой поляризацией, совпадающей по направлению вращения с фазовым вихрем, получено уменьшение центрального пятна в размере, по сравнению с осесимметричным аксиконом, с FWHM=0,67te0,03X до FWHM=0,37X±0,03X. При освещении осесиммет-ричного аксикона пучком с радиальной поляризацией на оптической оси формируется круглое пятно (FWHM=0,38X±0,03X), состоящее преимущественно из продольной компоненты, а при освещении спирального аксикона пучком с азимутальной поляризацией формируется круглое пятно близких размеров (FWHM= 0,37Х±0,03Х), состоящее в основном из поперечных компонент электрического поля.

Основные результаты опубликованы в ведущих рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Алфёров, С.В. Исследование острой фокусировки поляризационно-неоднородных лазерных пучков высокого порядка / Алфёров С.В., Кар-пеев С.В., Хонина С.Н., Казанский H.J1. // Компьютерная оптика. - 2011. -Т. 35, №3,-С. 335-338.

2. Khonina, S.N. Polarization converter for higher-order laser beams using a single binary diffractive optical element as beam splitter / S.V. Karpeev, S.N. Khonina, S.V. Alferov // Optics Letters-2012. - Vol. 37, No. 12. -P. 23852387.

3. Алферов, С.В. Поляризационный конвертор для формирования лазерных пучков высокого порядка с использованием бинарного дифракционного оптического элемента / Алфёров С.В., Карпеев С.В., Хонина С.Н., Моисеев О.Ю., Волков А.В. // Вестник Самарского государственного технического университета. Сер. Физ.-мат. науки. - 2012. - Выпуск. 4(29).-С. 162-170.

4. Карпеев, С.В. Исследование острой фокусировки поляризационно-неоднородных лазерных пучков высокого порядка методами ближне-польной микроскопии / Карпеев С.В., Хонина С.Н., Алферов С.В. // Компьютерная оптика. - 2012. - Т.36(4) - С.506-510.

5. Khonina, S.N. Strengthening the longitudinal component of the sharply focused electric field by means of higher-order laser beams / S.N. Khonina, S.V. Alferov, S.V. Karpeev // Optics Letters. -2013. - V. 38, No. 17. - P. 32233226.

6. 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 / Khonina S.N.,

Karpeev S.V., Alferov S.V., Savelyev D.A.. Laukkanen J., Turunen J. // J. Opt. - 2013. - Vol. 15. - P. 085704 (9pp)

7. Karpeev, S.V. Generation and conversion of mode beams and their polarization states on the basis of diffractive optical element application / S.V. Karpeev, S.N. Khonina, S.V. Alferov // Opt. Eng. - 2013 - Vol. 52, No. 9. - P. 091718-1 -091718-8.

8. Хонина, C.H. Экспериментальная демонстрация формирования продольной компоненты электрического поля на оптической оси с помощью высокоапертурных бинарных аксиконов при линейной и круговой поляризации освещающего пучка / Хонина С.Н., Карпеев С.В., Алфёров С.В., Савельев Д.А. // Компьютерная оптика. - 2013. - Т. 37, №1. - С.76-87.

9. Хонина, С.Н. Исследование поляризационной чувствительности ближ-непольного микроскопа с использованием бинарной фазовой пластины / С.Н. Хонина, С.В. Карпеев. С.В. Алфёров, О.Ю. Моисеев // Компьютерная оптика. - 2013. - Т. 37, № 3. - С. 326-331.

10. Хонина, С.Н. Экспериментальное исследование продольной компоненты электрического поля на оптической оси в ближнем поле дифракции высокоапертурных бинарных аксиконов при цилиндрической поляризации освещающего пучка / Хонина С.Н., Карпеев С.В., Алфёров С.В. // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. -2013.-Т. 15(4).-С. 12-17.

11. Alferov, S.V. Study of polarization properties of fiber-optics probes with use of a binary phase plate / Alferov S.V., Khonina S.N., and Karpeev S.V. // J. Opt. Soc. Am. A. - 2014. - Vol. 31, No. 4. - P. 802-807.

12. Алфёров, С.В. Экспериментальное исследование фокусировки неоднородно-поляризованных пучков, сформированных при помощи секторных пластинок / С.В. Алфёров, Карпеев С.В., Хонина С.Н., Моисеев О.Ю. // Компьютерная оптика. - 2014. - Т. 38, № 1. - С. 57-66.

13. Хонина, С.Н. Теоретическое и экспериментальное исследование поляризационных преобразований в одноосных кристаллах для получения цилиндрических векторных пучков высоких порядков / Хонина С.Н., Карпеев С.В., Алфёров С.В. // Компьютерная оптика. - 2014. - Т. 38, №2, -С. 171-180.

Подписано в печать 01.07.2014. Формат 60 х 84/16. Бумага ксероксная. Печать оперативная. Объем - 1.0 усл. п. л. Тираж 100 экз. Заказ № 105

Отпечатано в типографии ООО «Инсома-пресс» 443080, г. Самара, ул. Сапфировой. 110 А: тел.: 222-92-40