Диаметр светового пятна в ближней зоне бинарного дифракционного микроаксикона

Котляр В.В., Стафеев С.С., Скиданов Р.В., Налимов А.Г., Моисеев О.Ю.,
Полетаев С.Д.

Аннотация:
В работе исследовались бинарные аксиконы с периодом 4, 6 и 8 микрометров, изготовленные по технологии фотолитографии с разрешением 1 мкм, глубиной 500 нм и диаметром 4 мм. Экспериментально показано, что в ближней зоне дифракции вдоль оптической оси на расстоянии до 40 мкм от аксикона появляются фокальные пятна с диаметром от 3,5λ до 4,5λ (для аксикона с периодом T = 4 мкм) и от 5λ до 8λ (для аксикона с T = 8 мкм), λ – длина волны света (λ = 0,532 мкм). Причем первый фокус возникает на расстоянии 2 мкм (T = 4 мкм), а фокальные пятна появляются с периодом 2 мкм (T = 4 мкм) и 4 мкм (T = 8 мкм). Проведено моделирование дифракции плоской и расходящейся линейно-поляризованных световых волн с помощью программы FullWAVE (RSoft) и оригинальной программы R-FDTD, реализующих разностные методы решения 3D уравнений Максвелла в декартовой и цилиндрической системах координат. Полученные численные значения диаметров фокальных пятен на оптической оси в ближней зоне дифракции для аксикона с периодом T = 4 мкм согласуются с экспериментальными данными.

Abstract:
We investigated binary axicons with periods 4 um, 6 um and 8 um, manufactured by photolithography technology with resolution 1 mm, depth 500 nm and diameter 4 mm. It is shown experimentally that in the near diffraction zone along the optical axis at a distance of up to 40 um from the axicon appear focal spot with a diameter of 3,5λ up to 4,5λ (for the axicon with a period T=4 um) and from 5λ to 8λ (for the axicon with a period T=8 um), λ - wavelength of light (λ=0.532 um). First focus arises at a distance of 2 um (T=4 um), and focal spots appear with a period of 2 um (for T=4 um) and 4 um (for T=8 um). We produced simulation of diffraction of plane and diverging linearly polarized light waves with the program FullWAVE (RSoft) and the original program R-FDTD, that implement finite difference methods for 3D solution of Maxwell's equations in Cartesian and cylindrical coordinate systems. Numerical values of the diameters of focal spots on the optical axis in the near diffraction zone for the axicon with a period T=4 um agree with experimental data.

Ключевые слова: бинарный микроаксикон, диаметр осевого пучка, FDTD-метод, оптический эксперимент.

Key words: binary microaxicon, diameter of the axial beam, FDTD-method, optical experiment..

Литература:

  1. Kim, J.K. Compact all-fiber Bessel beam generator based on hollow optical fiber combined with a hybrid polymer fiber lens / J.K. Kim, J.Kim, Y.Jung, W.Ha, Y.S.Jeong, S.Lee, A.Tunnermann, K.Oh // Opt.Lett. – 2009. – V.34, -. №19. – P.2973-2975.
  2. Kurt, H. Limited-diffraction light propagation with axicon-shape photonic crystal / H. Kurt // J. Opt. Soc. Am. B. – 2009. – Vol. 26, -№.5. – P. 981-986.
  3. Chen, W. Realization of an evanescent Bessel beam via surface plasmon interference exited by a radially polarized beam / W. Chen, Q.Zhan // Opt. Lett. – 2009. – Vol.34. -№ 6. – P.722-724.
  4. Watanabe, K. Localized surface plasmon microscope with an illumination system employing a radially polarized zeros-order Bessel beam / K.Watanabe, G. Terakedo, H.Kano // Opt.Lett. – 2009. – Vol.34, -№ 8. – P.1180-1182
  5. Fu,Y. Hybrid Au-Ag subwavelength metallic structures with variant periods for superfocusing / Y.Fu, W.Zhan // J. Nanophotonics. – 2009. – V.3. – P. 033504
  6. Fu, Y. Experimental study of plasmonic structures with variant periods for sub-wavelength focusing: analysis of characterization errors / Y. Fu, R.G. Mote, Q.Wang, W.Zhou // J. Mod. Opt. – 2009. – Vol.56. -№ .14. – P.1550-1556.
  7. Wei, P. Focusing subwavelength light by using nanoholes in a transparent thin film / P.Wei, W.Chang, K.Lee, E.Lin // Opt. Lett. – 2009. – Vol.34. -№12. – P.1867-1869.
  8. Schonbrun, E. Scanning microscory using a short-focal-length Fresnel zone plate / E. Schonbrun, W.N.Ye, E.B.Cro­zier // Opt. Lett. – 2009. – Vol.34. -№ 4. – P.228-2230.
  9. Vahimaa, P. Electromagnetic analysis of nonparaxial Bessel beams generated by diffractive axicon / P.Vahimaa, V. Kettunen, M.Knittinm, J.Turunen // J.Opt.Soc.Am. A. – 1997. – Vol. 4. -№ 8. – P.1817-1824.
  10. Kizuka, T. Characteristics of a laser beam spot focused by a binary diffractive axicon / T. Kizuka, M. Yamanchi, Y.Matsuoka // Opt.Eng. – 2008. – Vol.45.-№ 5. –P.053401.
  11. Прудников, А.П. Интегралы и ряды. Специальные функции / А.П. Прудников, Ю.А. Брычков, О.И. Маричев - М.: Наука, 1983.
  12. Снайдер, А. Теория оптических волноводов / А.Снайдер, Д.Лав. - М.: Радио и связь, 1987.
  13. Osterberg, H. Closed solutions of Rayleigh’s diffraction integral for axial points / H. Osterberg, L.Smith - J.Opt.Soc.Am. – 1961. – Vol. 51. – P.1050-1054.
  14. Котляр, В.В. Острая фокусировка света радиальной поляризации с помощью микролинз / В.В. Котляр, А.А. Ковалев, С.С. Стафеев // Компьютерная оптика. – 2008. – Т.32. -№2. – С.155-167. – ISSN 0134-2452

References:

  1. Kim, J.K. Compact all-fiber Bessel beam generator based on hollow optical fiber combined with a hybrid polymer fiber lens / J.K. Kim, J.Kim, Y.Jung, W.Ha, Y.S.Jeong, S.Lee, A.Tunnermann, K.Oh // Opt.Lett. – 2009. – V.34, -№. 19. – P.2973-2975.
  2. Kurt, H. Limited-diffraction light propagation with axicon-shape photonic crystal / H. Kurt // J. Opt. Soc. Am. B. – 2009. – Vol. 26. -№ 5. – P. 981-986
  3. Chen, W. Realization of an evanescent Bessel beam via surface Plasmon interference exited by a radially polarized beam / W. Chen, Q.Zhan // Opt. Lett. – 2009. – V. 34. -№. 6. – P.722-724.
  4. Watanabe, K. Localized surface plasmon microscope with an illumination system employing a radially polarized zeros-order Bessel beam / K.Watanabe, G. Terakedo, H.Kano // Opt.Lett. – 2009. – vol.34, no.8. – p.1180-1182.
  5. Fu,Y. Hybrid Au-Ag subwavelength metallic structures with variant periods for superfocusing / Y.Fu, W.Zhan // J. Nanophotonics. – 2009. – V.3. – P. 033504.
  6. Fu, Y. Experimental study of plasmonic structures with variant periods for sub-wavelength focusing: analysis of characterization errors / Y. Fu, R.G. Mote, Q.Wang, W.Zhou // J. Mod. Opt. – 2009. – V.56, -№.14. – P.1550-1556.
  7. Wei, P. Focusing subwavelength light by using nanoholes in a transparent thin film / P.Wei, W.Chang, K.Lee, E.Lin // Opt. Lett. – 2009. – V.34, -№. 12. – P.1867-1869.
  8. Schonbrun, E. Scanning microscory using a short-focal-length Fresnel zone plate / E. Schonbrun, W.N.Ye, E.B.Crozier // Opt. Lett. – 2009. – V.34, -№.4. – P.228-2230.
  9. Vahimaa, P. Electromagnetic analysis of nonparaxial Bessel beams generated by diffractive axicon / P.Vahimaa, V. Kettunen, M.Knittinm, J.Turunen // J.Opt.Soc.Am. A. – 1997. – V.4, -№. 8. – P. 1817-1824.
  10. Kizuka, T. Characteristics of a laser beam spot focused by a binary diffractive axicon / T. Kizuka, M. Yamanchi, Y.Matsuoka // Opt.Eng. – 2008. – V.45. -№ 5. – P.053401.
  11. Prudnikov, A.P. Integrals and Series. Special functions / A.P. Prudnikov, Y.A. Brychkov, O.I. Marichev. -М.: Science, 1983. – (in Russian)
  12. Snyder, A. Optical waveguide theory / A. Snyder, J. Love. - М.: Radio and Communications, 1987. – (in Russian)
    13.Osterberg H. Closed solutions of Rayleigh’s diffraction integral for axial points / H. Osterberg, L.Smith // J.Opt.Soc.Am. – 1961. – V.51. – P.1050-1054.
  13. Kotlyar, V.V. Sharp focusing of radially polarized light with microlenses / V.V. Kotlyar, A.A. Kovalev, S.S. Stafeev // Computer Optics. – 2008. – V.32, -№. 2. – P.155-167. – ISSN 0134-2452. – (in Russian).

© 2009, ИСОИ РАН
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: ko@smr.ru ; тел: +7 (846 2) 332-56-22, факс: +7 (846 2) 332-56-20