Вихревые линзы для оптической микроманипуляции
1,2, 1,2
1 ИСОИ РАН – филиал ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН,
1,2 Самарский государственный национальный исследовательский университет имени академика
Вихревые пучки в настоящее время используются в таких областях как оптическая связь, оптические измерения, оптическая микроманипуляция. Вихревые пучки могут быть сформированы с помощью специальных решеток [1, 2], спиральной фазовой пластины [3], вихревой зонной пластинкой [4]. Вихревыми также являются пучки Бесселя и Гаусса-Лагерра [5,6]. В [6] было рассмотрено формирование пучков Бесселя вихревыми аксиконами. При этом было показано, что топологические заряды структуры таких аксиконов и топологические заряды зон складываются, что дает возможность формирования пучка Бесселя заданного порядка практически бесконечным количеством фазовых дифракционных оптических элементов. В работе [7] представлен способ формирования простых вихревых пучков за счёт использования нового типа дифракционных оптических элементов – вихревых линз с топологическими зарядами зон, как у вихревых аксиконов в [8]. Здесь рассматривается формирование вихревых пучков таким способом для вращения микрообъектов. Большинство имеющихся работ, как правило, рассматривают дифракционную линзу либо как дополнительный элемент для компенсации хроматической аберрации рефракционной изображающей системы [9, 10]. Вихревая линза - элемент, фазовая функция которого описывается по формуле:
где f – фокусное расстояние вихревой линзы, которая является основой структуры этого ДОЭ. Такой элемент в фокальной плоскости будет формировать вихревой световой пучок заданного порядка практически бесконечном количеством способов.
На рисунке 1 представлены изображения вихревых линз с разными сочетаниями топологических зарядов структуры и зон и распределений интенсивностей, сформированных на расстояниях 270 мм. Все элементы формируют вихревой световой пучок 3-го порядка.
а)
б)
в)
г)
Рис.1. Фазовые функции вихревых линз с топологическими зарядами структуры и зон(n, m) соответственно (0,3) (а), (6,3) (б), (1,-2) (в), а также распределение интенсивности на расстоянии 270мм (г)
Литература
Turunen, J. Holographic generation of diffraction-free beams / J. Turunen, A. Vasara, A. T. Friberg // Applied Optics. – 1988. - V. 27. – P. 3959-3962. Khonina, S. N. An analysis of the angular momentum of a light field in terms of angular harmonics / S. N. Khonina, V. V. Kotlyar, V. A. Soifer, P. Paakkonen, J. Simonen, J. Turunen // Journal of Modern optics. – 2001. – V. 48, N 10. – P. 1543-1557. Soroko, L. M. What does the term “light beam” mean? / L. M. Soroko // Preprint of JINR. – 1999. - E13-99-226, Dubna. P 19. Fedotowsky, A. Optimal filter design for annular imaging / A. Fedotowsky, K. Lehovec // Appl. Opt. – 1974. – V. 13(12). – P. 2919-2923. Volke-Sepulveda, K. Orbital angular momentum of a high-order Bessel light beam / K. Volke-Sepulveda, V. Garces-Chavez, S. Chavez-Cerda, J. Arlt, K. Dholakia // J. Opt. B: Quantum Semiclass. Opt. - 2002. – V. 4. - P. 82–89. Скиданов, пучков Бесселя вихревыми аксиконами / , // Компьютерная оптика. – 2014. – Т. 38, № 3. – С. 463-468. Скиданов, дифракционные линзы для формирования вихревых световых пучков / , // Компьютерная оптика. – 2015. – Т. 39, № 5. – С. 674-677. Скиданов, оптические элементы для формирования комбинаций вихревых пучков в задаче манипулирования микрообъектами / , // Компьютерная оптика – 2014 – Т. 38, № 1. – С. 65-71. Грейсух, построения проекционных и фокусирующих оптических систем с дифракционными элементами / , , // Компьютерная оптика. – 1987. – Т. 1. – С. 114-116. Greisukh, G. I. Aberration properties and performance of a new diffractive-gradient-index high-resolution objective / G. I. Greisukh, E. G. Ezhov, S. A. Stepanov // Applied Optics – 2001. – Vol. 40, Issue 16. – P. 2730-2735.