CC BY
21
УДК 535.8
ОПТИЧЕСКИЕ АКСИКОНЫ, ПОЛУЧЕННЫЕ ВАКУУМНЫМ НАПЫЛЕНИЕМ
Валерий Игоревич Наливайко
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, тел. (383)333-30-92, e-mail: nalivaiko@iae.nsk.su
Марина Александровна Пономарева
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, ст. преподаватель, e-mail: ponomareva@iae.nsk.su; Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, инженер-оптик, тел.(383)333-30-92, e-mail: ponomareva@iae.nsk.su
Александр Евгеньевич Колдаев
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, студент кафедры оптических информационных технологий, e-mail: koldaev11195@mail.ru
Приведены результаты исследования пленочного аксикона, изготовленного с помощью вакуумного напыления тонкой халькогенидной пленки состава As2S3. Напыление проводилось через маску с профилем, обеспечивающим линейное распределение толщины в зависимости от радиуса подложки. Аксикон обеспечивает рекордные величины сфокусированного отрезка до 90 м. Приведены результаты расчетов длины и диаметра фокусных отрезков для видимого и терагерцового излучения.
Ключевые слова: аксикон, фокусный отрезок, вакуумное напыление, терагерцовое излучение.
OPTICAL AXICONS OBTAINED BY VACUUM DEPOSITION
Valery I. Nalivaiko
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 1, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Researcher, phone: (383)333-30-92, e-mail: nalivaiko@iae.nsk.su
Marina A. Ponomareva
Novosibirsk State Technical University, 20, Prospect K. Marx St., Novosibirsk, 630073, Russia, Senior Lecturer, e-mail: ponomareva@iae.nsk.su; Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 1, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Engineer, phone: (383)333-30-92, e-mail: ponomareva@iae.nsk.su
Alexandr E. Koldaev
Novosibirsk State Technical University, 20, Prospect K. Marx St., Novosibirsk, 630073, Russia, Student, Department of Optical Information, e-mail: koldaev11195@mail.ru
The results of an investigation of a film axicon fabricated by vacuum deposition of a thin chalcogenide film of As2S3 composition are presented. Deposition was carried out through a mask with a profile providing a linear thickness distribution depending on the substrate radius. Axicon provides record values of the focused distance up to 100 m. The results of calculations of the length and diameter of the focused distances for visible and terahertz radiation are presented.
Key words: axicon, focused distance, vacuum deposition, terahertz radiation.
Аксиконы - это оптические элементы, одна из сторон которых имеет коническую форму, а вторая сторона - плоская (рис. 1). Активное исследование аксиконов началось в 1954 году [1].С тех пор аксиконы нашли применение в таких областях, как формирование плазменных каналов [2,3], оптические системы с увеличенной глубиной фокуса [4-6], когерентная оптическая томография [7,8], лазерная обработка материалов [9,10], генерация фемтосекундных лазерных импульсов [11], создание оптических ловушек для захвата частиц [12] и многие другие.
ГI"п г" п
I I
Рис. 1. Принципиальная схема работы аксикона: I - ближняя область, II - дальняя область
Работа аксикона как линейного оптического элемента имеет свои особенности. В пространстве за аксиконом условно можно выделить две области, каждая из которых имеет свое применение. Область I - ближняя область - начинается сразу за аксиконом. В этом области аксикон генерирует узкий протяженный фокусный отрезок. Область II - дальняя область - начинается после области I и в ней аксикон формирует кольца. Ширина колец остается постоянной независимо от расстояния до аксикона, а изменяется только их диаметр.
Протяженность этих областей определяется параметрами самого аксикона, а именно показателем преломления п материала, из которого сделан аксикон, углом аксикона а, а также радиусом пучка света, падающего на аксикон Я.
При этом, длина фокусного отрезка Ь определяется как [3,7]:
I = Я
(п - 1)а'
а ширина 1к и радиус Як колец в области II на расстоянии Ьк от аксикона находится из геометрических соображений:
Я
гк = 2 и Як = 2Ьк%((п - 1)а) .
Промышленно изготавливаемые оптические аксиконы имеют углы от 0,5° до 20°. В табл. 1 приведены значения указанных характеристик аксиконов из стекла К-8 диаметром 2,5 см для разных значений углов аксикона а. Видно, что для применения аксикона в области II хорошо подходят аксиконы с большим углом а. Но если необходимо получить длинный фокусный отрезок, то угол аксикона приходится уменьшать, и в связи с этим усложняется технология его производства.
Таблица 1
Параметры аксиконов в зависимости от угла а для излучения с X = 0,63 мкм
а, ° Ь, см Ьк, см Як, см
0,5 275 400 600 11 16
1 138 200 300 11 16
10 13,8 20 50 11 28
20 7 20 50 24 58
Рассмотрим подробнее применение аксиконов в качестве генератора узкого протяженного фокального отрезка. Аксикон создает так называемый бездифракционный пучок, профиль интенсивности которого остается неизменным при распространении в свободном пространстве. Профиль его интенсивности в поперечном сечении имеет вид функции Бесселя нулевого порядка первого типа [13]. Такие пучки называются бесселевыми в отличие от гауссовых, которые испытывают дифракционное расширение при распространении. Диаметр центрального пятна бесселева пучка определяется из положения первого минимума функции Бесселя:
Л = 2.4А . па(п -1)
Объемные аксиконы изготавливаются, как и любой оптический элемент, с помощью шлифованияили прессования. Для микроаксиконов с диаметром меньше 1 мм также используют технологии лазерной записи [14], фотополимеризации [15]. Обычно аксиконы имеют углы порядка 10°-30°, этому соответствуют длины фокусных отрезков порядка 1-20 см. Меньшие углы сделать проблематично. А если необходимы фокусные отрезки в десятки метров, то углы должны составлять меньше одного градуса.
Поэтому в нашей работе аксикон изготавливался с помощью вакуумного напыления халькогенидной пленки состава лб283 на подложку из плавленого кварца. Напыление халькогенидного слоя проводилось через вращающуюся мас-
ку, расположенную на расстоянии 1 мм от подложки. Форма маски (рис. 2, а) соответствовала нанесению слоя с толщиной, линейно изменяющейся по радиусу. Толщина халькогенидного слоя изготовленного образца (рис. 2, б) уменьшалась от центра к периферии. Измерения толщины напыленных слоев (рис. 2, в) проводилась с помощью лазерного интерферометра ФТИ-1000РБ, разработанного в ИАиЭ СО РАН, по методике, используемой для определения профилей тонких пленок [16].
а) б) в)
Рис. 2: а) маска для напыления аксикона; б) фотография аксикона в отраженном свете; в) интерферограмма изготовленного аксикона в проходящем свете на X = 0,63 мкм
Обработанная профилограмма аксикона приведена на рис. 3, из которой видно линейное нарастание толщины пленки ХСП от края к центру образца.
Рис. 3. Оптическая профилограмма изготовленного аксикона
Изготовленный аксикон имел следующие параметры: диаметр -2,5 см, толщина слоя в центре аксикона - 1мкм, показатель преломления -2,7 на длине волны 0,63 мкм. Рассчитанный угол а для этих параметров аксикона составлял 8х10- рад или 17". Изготовление такого аксикона механической обработкой крайне затруднительно из-за отсутствия средств контроля при изготовлении.
При этом расчетная длина фокусного отрезка при использовании всей площади аксикона составила порядка 90 м.
Диаметры фокусного отрезка в зависимости от диаметра падающего пучка измерялись на различных расстояниях от аксикона с помощью CCD камеры. На рис. 4 приведены фотографии фокусного пятна на расстоянии 6 м от аксикона для различных значений диаметра падающего пучка. Видно, что размер центрального пятна при уменьшении диаметра падающегопучка практически не изменяется и составляет порядка 1 мм, что подтверждает бездифракционную природу бесселева пучка, даваемого аксиконом.
£=2,5см
0
£=0,8см
£=0,4см
Рис. 4. Размер фокусного пятна на расстоянии 6 м от аксикона для различных диаметров В падающих пучков с X = 0,64мкм (масштаб представлен в виде красного квадрата со стороной 1 мм)
Некоторые халькогенидные стекла имеют малое поглощение в терагерцо-вом диапазоне излучения [17]. В этом диапазоне востребованы аксиконы для фокусировки излучения [18-20]. Поэтому в табл. 2 приведены для сравнения параметры формируемых аксиконами бесселевых пучков в оптическом и тера-герцовом спектральных диапазонах.
Если в оптическом диапазоне для формирования фокусного отрезка диаметром 3,5 мм достаточно аксикона с углом 17", то для терагерцового излучения с Х=500 мкм необходимо увеличить угол до 5о, чтобы получить диаметр пучка 2,5 мм. Чтобы изготовить аксикон с углом 5о диаметром 2,5 см, толщина аксикона в центре должна составлять 1 мм.
Таким образом экспериментально показана возможность изготовления оптических аксиконов с фокусными отрезками большой величины. Технология изготовления включает вакумное напыление слоев халькогенидного стекла переменной толщины, которая линейно изменяется в зависимости от радиуса подложки.
Таблица 2
Сравнение параметров аксиконов для видимого и терагерцового излучений
А, мкм Диаметр пучка, падающего на аксикон D, см Угол аксикона а Диаметр центрального пятна d Длина фокусного отрезка L, м
2,5 92
1 17'' 3,5 мм 37
0,63 0,5 18
2,5 0,84
1 0,5° 32 мкм 0,33
0,5 0,17
2,5 0,84
1 0,5° 26 мм 0,33
0,5 0,17
2,5 0,21
500 1 2° 6,4 мм 0,084
0.5 0,042
2,5 0,084
1 5° 2,5 мм 0,033
0,5 0,017
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Mcleod J.H. The axicon: a new type of optical element // J. Opt. Soc. Am. - 1954. -V.44. - P. 592-597.
2. Пятницкий Л.Н. Оптический разряд в поле лазерного бесселева пучка // Успехи физических наук. - 2010. - Т.180. -№ 2. - С.165-185
3. Пятницкий Л.Н. Волновые бесселевы пучки. - М.: Физматлит, 2012. - 408 с.
4. Khonina S.N., Ustinov A.V. Lenses to form a longitudinal distribution matched with special functions // Opt.Comm. - 2014. - V.341. - P.114-121.
5. Wereley S., Zhang Y., Khor J.-W., Snoeyink C. Single-acquisition wide-field super resolution for telescopes // Appl. Opt. - 2016. - V.55. - N.35. - P.10025-10029.
6. Saikaley A., Chebbi B., Golubl. Imaging properties of three refractive axicons // Appl. Opt. - 2013. - V.52. - P. 6910-6918.
7. Weber N., Spether D., Seifert A., Zappe H. Highly compact imaging using Bessel beams generated by ultra miniaturized multi-micro-axicon systems // J. Opt. Soc. Am. A. - 2012. - V.29 -P.808-816.
8. Ding Zh., Ren H., Zhao Y., Nelson J. S., ChenZh. High-resolution optical coherence tomography over a large depth range with an axicon lens // Opt.Lett. - 2002. - V.27. -N.4. -P.243-245.
9. Dudutis J., GeCys P., RaCiukaitis G. Non-ideal axicon-generated Bessel beam application for intra-volume glass modification // Opt. Express. - 2016. - V.24.- P. 28433-28443.
10. Wu P., Sui Ch., Huang W. Theoretical analysis of a quasi-Bessel beam for laser ablation // Photon. Res. - 2014. - V.2. - P.82-86.
11. Summers A. M., Yu X., Wang X., Raoul M., Nelson J., Todd D., Zigo S., Lei Sh., Trallero-Herrero C.A. Spatial characterization of Bessel-like beams forstrong-field physics // Opt. Express. - 2017. - V.25. - N.3. - P.1646-1655.
12. Kampmann R., Chall A.K., Kleindienst R., Sinzinger S. Optical system for trapping particles in air // Appl. Opt. - 2014. - V.53. - P.777-784.
13. Durnin J., Miceli,Jr J.J., Eberly J.H. Diffraction-Free Beams // Phys. Rev. Lett. - 1987. -V.58. - P. 1499-1501.
14. Huang H., Chen Sh., Zou H., Li Q., Fu J., Lin F., Wu X. Fabrication of micro-axicons using direct-laser writing // Opt. Express. - 2014. - V.22 - P.11035-11042.
15. Zukauskas A., Malinauskas M., Reinhardt C., Chichkov B.N., Gadonas R. Closely packed hexagonal conical microlens array fabricated by direct laser photo polymerization // Appl. Opt. - 2012. - V.51. - P.4995-5003.
16. Chen Q., Zhang Y., Qiu Ch., Wan Y., Hou X. Method for measuring the cone angle and the shape of the axicon simultaneously using computer-generated holograms // Appl. Opt. - 2015. -V.54. - P.8290-8292.
17. Мамрашев А.А., Наливайко В.И., Николаев Н.А. Оптические свойства халькоге-нидных стекол в терагерцовой области спектра // Известия РАН. Серия Физическая. -2013. - Т.77. - № 9. - С. 1327-1329.
18. Wu Zh., Wang X., Sun W., Feng Sh., Han P., Ye J., Yu Y., Zhang Y. Vectorial diffraction properties of THz vortex Bessel beams // Opt. Express. - 2018. - V.26. - P.1506-1520.
19. Khonina S. N., Degtyarev S. A. Analysis of the formation of a longitudinally polarized optical needle by a lens and axicon under tightly focused conditions // J. Opt. Technol. - 2016. -V.83. - P.197-205.
20. Агафонов А.Н., Володкин Б.О., Павельев В.С., Тукмаков К.Н., Кавеев А. К., Качалов Д.Г., Князев Б.А., Кропотов Г.И., Чопорова Ю.Ю. Фокусировка излучения Новосибирского лазера терагерцового диапазона (NOVOFEL) в соосный отрезок // Комп.оптика. -2015. - Т.39. - № 1. - С.58-63.
REFERENCES
1. Mcleod J.H. (1954). The axicon: a new type of optical element.J. Opt. Soc. Am.,44, 592597. doi:10.1364/JOSA.44.000592.
2. Pyatnitskii L.N. (2010). Optical discharge in the field of a bessel laser beam. Physics-Uspekhi,53(2), 159-177.
3. Pyatnitskii L.N. (2012). Volnovye besselevy puchki. Moscow: Physmatlit [in Russian].
4. Khonina S.N., Ustinov A.V. (2014). Lenses to form a longitudinal distribution matched with special functions. Opt. Comm., 341, 114-121.doi: 10.1016/j.optcom.2014.12.023.
5. Wereley S., Zhang Y., Khor J.-W., Snoeyink C. (2016). Single-acquisition wide-field super resolution for telescopes. Appl. Opt., 55(35), 10025-10029.doi: 10.1364/AO.55.010025.
6. Saikaley A., Chebbi B., Golub I. (2013). Imaging properties of three refractive axicons. Appl. Opt., 52, 6910-6918. doi: 10.1364/AO.52.006910.
7. Weber N., Spether D., Seifert A., Zappe H. (2012). Highly compact imaging using Bessel beams generated by ultra miniaturized multi-micro-axicon systems. J. Opt. Soc. Am. A., 29, 808-816.doi: 10.1364/JOSAA.29.000808.
8. Ding Zh., Ren H., Zhao Y., Nelson J. S., ChenZh. (2002). High-resolution optical coherence tomography over a large depth range with an axicon lens. Opt. Lett., 27(4), 243-245. doi: 10.1364/OL.27.000243.
9. Dudutis J., GeCys P., RaCiukaitis G. (2016). Non-ideal axicon-generated Bessel beam application for intra-volume glass modification.Opt. Express., 24, 28433-28443.doi: 10.1364/OE.24.028433.
10. Wu P., Sui Ch., Huang W. (2014). Theoretical analysis of a quasi-Bessel beam for laser ablation. Photon. Res., 2, 82-86.doi: 10.1364/PRJ.2.000082.
11. Summers A. M., Yu X., Wang X., Raoul M., Nelson J., Todd D., Zigo S., Lei Sh., Trallero-Herrero C.A. (2017). Spatial characterization of Bessel-like beams for strong-field phys-ics.Opt. Express., 25(3), 1646-1655. doi: 10.1364/OE.25.001646.
12. Kampmann R., Chall A.K., Kleindienst R., Sinzinger S. (2014). Optical system for trapping particles in air.Appl. Opt.,53, 777-784. doi: 10.1364/А0.53.000777.
13. Durnin J., Miceli, Jr J.J., Eberly J.H. (1987). Diffraction-Free Beams. Phys. Rev. Lett., 58, 1499-1501. doi: 10.1103/PhysRevLett.58.1499.
14. Huang H., Chen Sh., Zou H., Li Q., Fu J., Lin F., Wu X. Fabrication of micro-axicons using direct-laser writing. (2014).0pt. Express.,22, 11035-11042. doi: 10.1364/0E.22.011035.
15. Zukauskas A., Malinauskas M., Reinhardt C., Chichkov B.N., Gadonas R. (2012). Closely packed hexagonal conical microlens array fabricated by direct laser photopolymerization.Appl. Opt., 51, 4995-5003. doi: 10.1364/A0.51.004995.
16. Chen Q., Zhang Y., Qiu Ch., Wan Y., Hou X. (2015). Method for measuring the cone angle and the shape of the axicon simultaneously using computer-generated holograms.Appl. Opt., 54, 8290-8292. doi: 10.1364/AO.54.008290.
17. Mamrashev A.A., Nalivaiko V.I., Nikolaev N.A. (2013). Optical properties of chalcogenide glasses in the terahertz spectral region. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics., 77(9), 1161-1163. doi: 10.7868/S0367676513090299.
18. Wu Zh., Wang X., Sun W., Feng Sh., Han P., Ye J., Yu Y., Zhang Y. (2018).Vectorial diffraction properties of THz vortex Bessel beams.Opt. Express., 26, 1506-1520. doi: 10.1364ЮЕ.26.001506.
19. Khonina S. N., Degtyarev S. A. (2016). Analysis of the formation of a longitudinally polarized optical needle by a lens and axicon under tightly focused conditions. J. Opt. Technol., 83, 197-205. doi: 10.1364/JOT.83.000197.
20. Agafonov A.N., Volodkin B.O., Kaveev A.K., Kachalov D.G., Knyazev B.A., Kropotov G.I., Tukmakov K.N., Pavelyev V.S., Tsypishka D.I., Choporova Y.Y. (2015). Binary doe with elongated focal depth to focus terahertz free electron laser radiation (NOVOFEL). Computer Optics, 39(1), 58-63. doi:10.18287/0134-2452-2015-39-1-58-63(In Russian).
© В. И. Наливайко, М. А. Пономарева, А. Е. Колдаев, 2018
