CC BY
106
Вестник ДВО РАН. 2014. № 6
УДК 681.785
А.А. КУЧМИЖАК, С О. ГУРБАТОВ, О Б. ВИТРИК, Ю Н. КУЛЬЧИН
Технология создания волоконных микроаксиконов для фокусировки лазерного излучения и генерации Бесселевых пучков
Разработана технология изготовления волоконных микроаксиконов на торцах волоконных световодов. Экспериментально показана возможность изготовления волоконных микроаксиконов, фокусирующих лазерное излучение в пятно с полушириной FWHM ~ 0,6 А и Бесселевым распределением поля. Продемонстрировано, что подбором соотношения компонентов смеси для химического травления оптических волокон можно изменить форму наконечника микроаксикона с конической на полусферическую. Это позволяет варьировать пространственное распределение выходного лазерного пучка, которое может быть как Бесселевым с увеличенной до 49 А глубиной фокуса, так и близким к дифракционному пределу фокальным пятном. Фокусирующие характеристики микроаксиконов, экспериментально измеренные с использованием зонда ближнеполевого оптического микроскопа, соответствуют численным расчетам, выполненным на основе метода конечных разностей во временной области.
Ключевые слова: волоконный световод, аксикон, Бесселевы пучки, селективное химическое травление, фокусировка лазерного излучения.
Technology for fabrication of fiber microaxicons for laser focusing and generation of Bessel beams.
A.A. KUCHMIZHAK, S.O. GURBATOV, O.B. VITRIK, Yu.N. KULCHIN (Institute of Automation and Control Processes, FEB RAS, Far Eastern Federal University, Vladivostok).
Fabrication method of fiber microaxicons (FMAs) on the endface of the optical fiber was developed. We experimentally demonstrated the possibility of fabrication of FMAs focusing laser beam into a tiny spot with a FWHM half width ~ 0.6 А and Bessel-like field distribution. It was also demonstrated that choosing the appropriate chemical composition of the etching solution makes it possible to change the shape of the FMA tip from conical to hemispherical. This allows one to change the spatial distribution of the output laser beam, which can represent both the Bessel beam with a depth of focus of increased up to 49 А and a very tiny focal spot close to the diffraction limit size. Experimentally measured focusing characteristics of the FMAs using a probe of near-field optical microscope demonstrate good agreement with numerical calculations based on finite-difference method in the time domain.
Key word: fiber waveguide, axicon, Bessel beam, selective chemical etching, laser beam focusing.
Разработка объемных конических оптических линз (или аксиконов) ведется более полувека [8], тем не менее интерес к этому направлению исследований не ослабевает до сих пор. Во многом это обусловлено широким использованием таких элементов
КУЧМИЖАК Александр Андреевич - кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник, ГУРБАТОВ Станислав Олегович - кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник, ВИТРИК Олег Борисович - доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник,
*КУЛЬЧИН Юрий Николаевич - академик, профессор, директор (Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). *Е-таП: director@iacp.dvo.ru
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (постановление П218, договор .№ 02.G25.31.0116 от 14.08.2014 г. между Открытым акционерным обществом «Центр судоремонта «Дальзавод» и Министерством образования и науки Российской Федерации).
в различных областях научных исследований: генерации недифрагирующих Бесселевых пучков с увеличенной глубиной фокуса, генерации гармоник, нелинейной оптике, субволновой фокусировке, обработке материалов и т.д. [3, 7, 13]. Развитие оптических систем в сторону миниатюризации, компактности, гибкости и самосогласования привело к идее создания миниатюрной аксиконной линзы, формируемой на торце волоконного световода аксиально симметрично его оптической сердцевине [2, 4, 5, 9, 10]. Данное техническое решение позволяет существенно расширить область практических применений микроаксиконов. В частности, высокую эффективность такие миниатюрные «оптические стилусы» демонстрируют в системах оптической манипуляции микрообъектами в жидкостях, оптической томографии, искровой спектроскопии [2, 9]. Перспективным является также использование миниатюрных волоконных аксиконов вместо стандартного покрытого металлом апертурного зонда оптического микроскопа ближнего поля в задачах детектирования люминисценции полупроводниковых квантовых точек, картирования распределения полей поверхностных плазмонов и наноструктурирования поверхности твердых тел мощными импульсами с субволновым пространственным разрешением [4, 5]. Преимущества зондов в виде волоконных микроаксиконов в таких приложениях обусловлены их высокой пропускающей способностью, энергетической эффективностью, лучевой прочностью, а также возможностью устранить эффект взаимодействия локализованных вблизи поверхности исследуемого объекта электромагнитных полей с металлическим покрытием зонда.
Для изготовления конического фокусирующего элемента на торце волоконного световода в работе [2] предложено использовать механическую шлифовку. Это позволяет варьировать полный угол схождения на конус полученного аксикона и тем самым изменять его фокусирующие свойства. Изготовленные таким образом аксиконы показали свою эффективность при генерации Бесселевых пучков с большой глубиной фокуса. Однако достаточно большой размер алмазных частиц в абразиве (~1 мкм) и наличие вибраций в шлифовальной системе могут нарушать аксиальную симметрию аксикона, что снижает качество выходного пучка. Кроме того, микрошероховатость отшлифованной поверхности волоконного микроаксикона вряд ли можно считать удовлетворительной в случае использования его в системах сканирующей зондовой микроскопии, в которых между зондом и образцом поддерживается стандартное расстояние менее 100 нм. Гораздо более высокого качества поверхности аксикона можно добиться, используя метод ионно-лучевого травления. Однако данный подход является крайне затратным и не находит широкого распространения.
В настоящее время чаще всего применяется метод селективного химического травления [11]. Указанный метод базируется на том, что кварцевая оптическая сердцевина стандартного волоконного световода допируется ионами германия, наличие которых замедляет скорость ее химического травления в концентрированном водном растворе смеси фтороводородной кислоты (ОТ) и фтористого аммония (ЫИ^) в сравнении со случаем травления недопированного кварца. Если оптическая оболочка волоконного световода сделана из недопированного кварца, то погружение его торцевой поверхности в раствор приводит к формированию конусообразного выступа в области сердцевины световода. Проблема заключается в том, что оптическая оболочка не свободна от примесей и имеет сложное распределение допирующих примесей вдоль радиуса оболочки. Вследствие этого при травлении центральный конический выступ оказывается окруженным более высокими кольцеобразными структурами сложного профиля, что может существенно ограничить область применения изготовленных таким способом микроаксиконов. Появления дополнительных колец можно избежать, если использовать смесь с высоким содержанием НЕ В этом случае характер распределения примесей в сердцевине или оболочке световода становится несущественным, и световод приобретает коническую форму. Однако угол схождения на конус полученных таким методом аксиконов не превышает 70°. Кроме того, воздействие такой травящей смеси на материал световода приводит к его неравномерному
отслаиванию и сильной шероховатости, так что геометрия наконечника изготовленного аксикона далека от идеально конической [11].
В настоящей работе представлен модифицированный метод изготовления волоконных микроаксиконов, позволяющий избежать описанных выше недостатков за счет предварительной подготовки волокон, в результате которой перед окончательным процессом формирования микроаксикона мы получаем плоскую торцевую поверхность волоконного световода с химически однородным участком оптической оболочки. Для большинства коммерчески доступных волоконных световодов такая предварительная подготовка обеспечивает создание микроаксиконных линз, фокусирующих лазерное излучение в пятно с полушириной FWHM ~ 0,57 X и имеющих Бесселево распределение поля. Кроме того, мы продемонстрируем, что разработанный метод путем контроля химических компонентов смеси для травления дает возможность изменять форму наконечника аксикона с конической на полусферическую и таким образом смещать фокальную плоскость на расстояние более 1 X от наконечника аксикона. Это крайне важно при использовании волоконных микроаксиконов в локальной искровой спектроскопии или для согласования оптических элементов при распространении мощности лазерных диодов [2, 12].
Изготовление микроаксиконов
Наличие химически однородного участка оптической оболочки в области сердцевины волоконного световода можно выявить, если погрузить его плоский сколотый торец на короткое время (не более 10 мин) в концентрированный 40%-ный водный раствор HF. Результат такого химического травления для волоконного световода Thorlabs S630-HP показан на рис. 1a. Видно, что конический выступ в области оптической сердцевины световода окружен плоским однородным участком оболочки диаметром Dtip ~ 4Dcore (Dcore -диаметр оптической сердцевины). Схожий характер травления наблюдается и для других использованных нами типов волоконных световодов (Thorlabs SM300, Thorlabs 405HP. -www.thorlabs.com). Для них величина Dtip варьирует в пределах 4-6 Dcore. Из-за наличия примесей, влияющих на скорость травления оптической оболочки, однородный участок окружен кратером, высота которого существенно превышает высоту центрального конического выступа. Кратер на торце световода крайне осложняет применение полученного центрального выступа в качестве аксикона. Поэтому процесс предварительной подготовки включает в себя удаление части оболочки, ответственной за формирование кратера.
Для этого используется следующая технология. Волоконный световод скалывается так, чтобы получить плоский торец. Затем световод этим торцом погружается на длительное время (~2 ч) в 40%-ный водный раствор HF. Из-за продолжительного травления характер распределения примесей в сердцевине или оболочке световодов становится несущественным, и световод приобретает коническую форму (рис. 1b). Следует отметить, что световод погружается в раствор вместе с полимерным покрытием, так что процесс химического травления происходит в тонком цилиндре, формируемом нечувствительным к действию кислоты полимерным покрытием световода. Это позволяет добиться намного более гладкой поверхности конуса, чем в случае обычного травления без полимерной оболочки. После завершения процесса травления полимерная оболочка растворяется в концентрированной кислоте H2SO4.
На последнем этапе предварительной подготовки острие полученного конического наконечника световода отрезается перпендикулярно оптической оси (рис. 1с). Это можно сделать двумя способами: ионно-лучевым травлением и полировкой ускоренными ионами аргона (Hitachi IM4000) через титановую маску. Оба метода дают желаемый результат, однако полировка Ar+ менее затратна, поскольку за один цикл (~30 мин) можно подготовить одновременно более 10 расположенных рядом волокон, в то время как с помощью ионно-лучевого травления обрабатывается только 1 световод. Острие световода отсекается
а Ь
Рис. 1. а - электронное изображение торца волоконного световода S630-HP после травления его в течение 5 мин в 40%-ном водном растворе ЭТ; Ь^ - схематическое изображение процесса изготовления микроаксиконной линзы на торце волоконного световода и СЭМ изображения, характеризующие соответствующие этапы изготовления микроаксикона на торце световода Thorlabs S630-НР; е^ - электронные изображения микроаксиконов с углами схождения на конус 90, 120 и 150°, изготовленных с использованием волоконного световода Thorlabs SM300 (длина масштабной полоски 1 мкм); h-k - электронные изображения микролинз, изготовленных с использованием световодов SМ300 при травлении их в растворах ЭТ + NH4F + Н20 с различной объемной долей NHF
в месте, где диаметр основания острия (Р ) становится меньше, чем диаметр химически однородного участка (Д.р). Это позволяет сформировать наконечник в виде усеченного конуса, верхнее основание которого не включает областей, ответственных за формирование кратера.
После предварительной подготовки торец световода погружается в 10%-ный водный раствор фтороводородной кислоты, в результате чего в области сердцевины волоконных световодов формируется аксиконная микролинза, окруженная плоским участком оболочки световода (рис. Ы). Чтобы убрать остатки травящей смеси с поверхности микроаксикона, волокна несколько раз промывают в дистиллированной воде и спирте. На рис. 1а-с представлена серия изображений электронного микроскопа, отражающих этапы процесса изготовления микроаксикона на торце волоконного световода ТЪойаЬБ 8630-НР. На рис. Ы показана конфигурация микроаксикона с D ~ D и полным углом схождения на конус ~ 90°, сформированного на предварительно подготовленном плоском торце световода 8630-НР. Видно, что полученный микроаксикон симметричен относительно оптической оси световода и не имеет видимых неоднородностей поверхности. Подобные результаты получаются также и с другими типами световодов.
Важно отметить, что для использованных нами типов световодов диаметр основания микроаксикона Da остается неизменным и приблизительно равным оптической сердцевине световода D , что позволяет варьировать величину полного угла схождения на конус в пределах 160-85° при изменении времени травления от 25 мин до 5 ч. На рис. 1d, e представлены электронные изображения микроаксиконов с различными углами схождения на конус, изготовленных описанным методом с использованием различных волокон. На соответствующих вставках приведены центральные топографические сечения изготовленных микроаксиконов, измеренные при помощи атомно-силового микроскопа (NanoDST Pacific Nanotechnologies). Полученные изображения подтверждают вывод о хорошем качестве поверхности микроаксиконов (измеренное значение шероховатости поверхности для всех типов волокон не превышает 3 нм), что, по нашему мнению, является следствием травления в растворах с малой объемной концентрацией HF. Разработанный метод дает достаточно высокую повторяемость: для всех типов волокон при одинаковом времени травления разница в величинах полного угла схождения на конус изготовленных микро-аксиконов не превышает 5 %.
В ходе экспериментов установлено, что для двух типов волокон (S630-HP и SM300) наличие в травящей смеси небольшой добавки NH4F влияет на форму наконечника микро-аксикона, позволяя изменять ее с конической на полусферическую. По нашему мнению, такой характер травления связан с особенностями допирования оптической сердцевины световодов. Это предположение подтверждается результатами проведенного нами EDX анализа (Thermo Scientific), показавшего, что сердцевина световодов S630-HP и SM300, в отличие от других, допирована фтором. Путем изменения формы наконечника микроак-сикон можно превратить в микролинзу [16], которая является аналогом диэлектрической микросферы, интегрированной в состав волоконного световода. Это, как будет показано далее, позволяет изменять характеристики выходного фокального пятна. Радиус полученной микросферы (R) можно варьировать в пределах 0,5-2 X путем изменения объемной доли NH4F в 40%-ном растворе HF + NH4F + H2O в пропорции 1 : X : 4. На рис. 1h-k представлены электронные изображения микроаксиконов, изготовленных с использованием световодов SM300 при травлении их в растворах HF + NH4F + H2O с различной объемной долей NH4F. Видно, что повышение концентрации NH4F до 1 объемной доли приводит к увеличению радиуса кривизны наконечника микроаксикона до 2 X.
Численные расчеты
Как отмечалось выше, разработанный метод изготовления микроаксиконов позволяет в широких пределах варьировать их геометрические параметры и форму. Оптимальную геометрию данного устройства с целью использования его для фокусировки лазерного излучения мы определяли с помощью программного обеспечения для проведения 3D FDTD расчетов [14]. При проведении расчетов полагалось, что аксикон расположен аксиально симметрично относительно оптической сердцевины световода с полным углом схождения на конус и диаметром основания Da = Dcore. Предполагалось также, что световод имеет оптическую сердцевину диаметром D = 9 X (X - длина волны возбуждающего источника), оптическую оболочку с Dclad = 50 X и числовую апертуру NA = 0,14. Такие параметры моделируемого световода хорошо описывают свойства используемых в данной работе волокон в случае, когда длина волны возбуждающего видимого или ближнего ИК источника обеспечивает в них одномодовый режим возбуждения.
На рис. 2a, c, e, g (см. вклейку) представлены распределения мощности электромагнитного поля на выходе волоконного микроаксикона, рассчитанные для различных углов схождения на конус. Из рис. 2а, j видно, что для случая, когда 9 ~ 85°, т.е. угол падения основной моды световода становится близок к углу полного внутреннего отражения от конической грани аксикона, распределение поля на выходе данного устройства имеет минимум
РЛ'НМ, X Гу. о 0ОГ,).
о □и
40
6
30
л
'1 т
20
17
2 игл
10
Р\Л/Н г.
1 11» 0 0. 70
о! 9
0 1 110 130 150 Г
в центре. Такие пучки могут быть весьма полезны для некоторых приложений. Однако в данной работе нас в основном интересуют фокусировки излучения в точке, находящейся на оптической оси аксикона (ось z на рис. 2). Эти случаи реализуются при 9 > 90°. Из рис. 2 также видно, что фокусное расстояние (Б ) микроаксикона, полуширина (FWHM) и фокальная глубина (БОБ) сфокусированного излучения растут с увеличением полного угла схождения на конус. В данной работе под фокусным понимается расстояние от вершины аксикона до точки на оси z, в которой мощность достигает своего максимального значения (на рис. 2 эта точка обозначена буквой А), под глубиной фокуса DOF - расстояние между двумя точками на оси z, в которых мощность излучения вдвое меньше, чем в фокусе (рис. 2d, £ К), под параметром FWHM - полуширина центрального светового пятна, измеренная в фокальной плоскости (рис. 2, 1-р).
На рис. 3 представлены результаты численных расчетов нормированных величин FWHM, Б и DOF в зависимости от полного угла схождения на конус. Видно, что минимальный размер фокального пятна Р\¥НМ, равный 0,57 X, достигается в случае, когда угол схождения на конус близок к 90°. В этом случае фокальная глубина DOF составляет ~1 X. Однако уже при 9 > 100° величина DOF ~ 2,5 X, т.е. выше фокальной глубины ближне-польных зондов, а также фокусирующих объективов с высоким значением числовой апертуры [10]. Это свидетельствует о том, что в данном случае на выходе волоконного микроаксикона формируется Бесселев пучок с увеличенной фокальной глубиной. С дальнейшим ростом 9 полуширина центрального интерференционного пятна FWHM в Бесселевом пучке медленно увеличивается от 0,57 до 2,2 X, в то время как его фокальная глубина быстро растет и достигает значения 49 X при 9 = 170°. Фокусное расстояние при 9 = 90° оказывается меньше 1 X, т.е. точка фокуса находится сразу за вершиной аксикона. С ростом угла схождения до 170° Б возрастает до 8 X. Как видим, для получения минимального фокального пятна оптимальной является геометрия аксикона с углом схождения на конус 90°, в то время как генерация Бесселевых пучков с высокой фокальной глубиной достигается для аксиконов с углами схождения >130°.
Рис. 4 (см. вклейку) демонстрирует возможность управления фокусирующими свойствами микроаксикона путем изменения формы его наконечника с конической на полусферическую. На рис. 4Ь^ показаны результаты численного расчета распределения мощности электромагнитного излучения на выходе микролинзы, изготовленной на основе микроаксикона с 9 = 90°, для различных значений радиуса кривизны наконечника. Из анализа представленных на рис. 4 кривых следует, что пока радиус кривизны полусферической вершины микроаксикона не превышает 2 X, полуширина центрального пика Бесселева пучка остается достаточно малой - не выше 0,61 X. При этом в сравнении с коническим микроаксиконом фокальная глубина увеличивается вдвое, а фокусное расстояние - до 2,5 X. Как видно, микролинза с полусферическим наконечником сочетает в себе высокие фокусирующие свойства с увеличенной, в сравнении с микроаксиконом, фокальной глубиной.
Интересно также, что в случае, когда R > 2 X, распределение поля вблизи поверхности микролинзы, т.е. на расстоянии существенно меньше фокусного, имеет минимум в центре (точка В на рис. 4d), причем полуширина центрального темного пятна очень мала - 0,5 X.
Рис. 3. Рассчитанные (сплошные линии) и экспериментально измеренные (точки) зависимости нормированных величин FWHM, БОБ и Fz от полного угла схождения на конус 0
Таким образом, путем изменения геометрических параметров микроаксикона можно варьировать в широких пределах пространственное распределение выходного пучка и оптимизировать его для различных применений.
Экспериментальные результаты
Схема экспериментальной установки для исследования изготовленных микро-аксиконов изображена на рис. 5. Излучение лазерного источника вводится через согласующее устройство (Thorlabs QW1) в отрезок волоконного световода через входную плоскую торцевую поверхность (в данной работе использовались два полупроводниковых лазерных модуля: Miles Griot с длинами волн 532 и 405 нм, а также He-Ne-лазер с длиной волны 632,8 нм, - обеспечивающих в используемых для изготовления аксиконов световодах од-номодовый режим распространения). Противоположный конец этого световода со сформированным на его торцевой поверхности аксиконом жестко закрепляется на моторизованном позиционере. Для экспериментального исследования фокусирующих свойств ми-кроаксиконов используется апертурный ближнепольный оптический микроскоп (СБОМ), оперирующий в режиме сбора оптического излучения. Зонд СБОМ представляет собой сужающийся покрытый тонкой металлической пленкой волоконный световод с выходной апертурой диаметром ~50 нм (вставка I на рис. 5). Апертурный зонд СБОМ подводится на малое расстояние (около 10 нм) к вершине волоконного микроаксикона, после чего выполняется сканирование распределения мощности на выходе микроаксикона в латеральной плоскости xy и вдоль оптической оси z.
На рис. 2b, d, f, h приведены распределения мощности лазерного излучения Pz вдоль оси z, экспериментально измеренные для микроаксиконов с разными углами схождения на конус, сформированных на основе волоконного световода S630-HP (длина волны лазерного источника X = 632,8 нм). На рис. 2i, k, m, o для указанных микроаксиконов представлены результаты измерений распределения мощности лазерного излучения в фокальной плоскости. Соответствующие данным распределениям центральные сечения распределения мощности в сравнении с численными расчетами показаны на рис. 2j, l, n, p. На рис. 3 приведены результаты экспериментальных измерений величин DOF,
Рис. 5. Схема экспериментальной установки для исследования фокусирующих свойств микроаксиконов. На вставке I изображена схема детектирования оптических свойств микроаксиконов с помощью СБОМ-зонда. На вставке II приведено электронное изображение СБОМ-зонда с выходной диафрагмой диаметром ~50 нм
FWHM и Fz для аксиконов с разными значениями 9. Как и ожидалось, фокусировка в минимальное пятно (FWHM ~ 0,6 X) достигается для микроаксиконов с полным углом схождения на конус 90°. При этом экспериментально измеренные фокальная глубина и фокусное расстояние для такого волоконного микроаксикона также согласуются с расчетными данными и составляют 1,0 и ~0,31 X соответственно. Указанные фокусирующие свойства микроаксикона с 9 = 90° позволяют использовать его в качестве зонда в системах сканирующей микроскопии для решения таких задач, как картирование распределения полей поверхностных плазмонов, а также для проведения локальной лазерной обработки материалов (например, для формирования сквозных металлических отверстий в оптически толстых металлических пленках) [4, 5]. С точки зрения фокусировки в минимальное дифракционно-ограниченное пятно мощных лазерных импульсов, требуемых для модификации поверхности твердых тел, описанный микроаксикон обладает существенно большей лучевой прочностью, чем конический зонд с небольшим углом схождения на конус, описанный в работе [5]. Это объясняется отсутствием у микроак-сикона очень хрупкого наконечника малого диаметра, который может легко разрушаться под действием мощного импульса. Применение разработанного микроаксикона для лазерного наноструктурирования поверхности твердых тел будет продемонстрировано в наших последующих работах.
Подобные описанным выше измерения выполнялись и для аксиконов, сформированных с использованием световодов Thorlabs SM300, S405. Их результаты также демонстрируют хорошее соответствие численным моделям (разница в значениях DOF, FWHM и Fz не превышает 10 %). Измеренные экспериментально распределения мощности лазерного излучения в фокальной плоскости аксиконов обладают хорошей симметрией. Все это, по-видимому, указывает на то, что форма изготовленных микроаксиконов близка к идеальному конусу, рассматриваемому при численном моделировании.
На рис. 4 приведены результаты экспериментальных измерений фокусирующих характеристик (DOF, FWHM и Fz) микролинзы, сформированной на основе микроаксикона на торце волоконного световода SM300 с углом схождения 90°, для значений радиуса кривизны наконечника 0,5, 1 и 2 X. Видно, что при R = 2 X фокальная глубина и фокусное расстояние возрастают до 2,5 и 1,5 X соответственно. При этом характерный размер пятна в фокальной плоскости для всех значений R не превышает 0,61 X. Эти результаты хорошо согласуются с результатами численных расчетов.
Таким образом, экспериментальные данные подтверждают сделанные выше предположения о том, что микролинза с полусферическим наконечником с R < 2 X позволяет сочетать в себе хорошие фокусирующие свойства (полуширина центрального пятна не более 0,61 X) с увеличенными в сравнении с микроаксиконом фокальной глубиной (до 2,5 X) и фокусным расстоянием (до 1,5 X). Фокусирующие свойства микролинзы делают ее весьма удобным инструментом в локальной искровой спектроскопии [2, 16], согласовании оптических элементов при распространении мощности лазерных диодов [12], а также локальном лазерном наноструктурировании, когда на поверхности модифицируемого вещества нужно создать выступающие структуры на металлических пленках [6] и наличие зонда в непосредственной близости от поверхности модифицируемого материала может помешать росту этих наноструктур. На рис. 4f приведено распределение мощности лазерного излучения на выходе волоконной микролинзы с R = 2 X, экспериментально измеренное на существенно меньшем, чем фокусное, расстоянии от вершины микролинзы, равном 1 X (точка В на рис. 4d). Видно, что на выходе волоконной микролинзы формируется симметричный пучок с минимумом в центре пятна, причем полуширина центрального темного пятна оказывается очень малой (~0,5 X). Генерация таких пучков может быть полезна в таких применениях, как перемещение отдельных атомов, оптическая манипуляция микрообъектами и STED-микроскопия [1, 15].
Выводы
Разработан метод изготовления волоконных микроаксиконов на торце волоконного световода. На примере нескольких типов коммерчески доступных волоконных световодов продемонстрировано создание микроаксиконных линз, фокусирующих лазерное излучение в пятно с минимальной полушириной FWHM ~ 0,6 X и Бесселевым распределением поля. Разработанный метод путем контроля химических компонентов смеси для травления дает возможность варьировать угол схождения на конус, а также изменять форму наконечника аксикона с конической на полусферическую, что позволяет управлять пространственным распределением излучения на выходе аксикона, которое может представлять как Бесселев пучок с увеличенной до 49 X фокальной глубиной, так и очень маленькую, близкую к дифракционному пределу фокальную точку. Экспериментально измеренные при помощи СБОМ-зонда распределения, фокусирующие характеристики изготовленных микроаксиконов и микролинз, демонстрируют хорошее соответствие с результатами численного моделирования на основе метода конечных разностей во временной области. Представляется, что разработанные нами устройства найдут широкое практическое применение в таких областях, как микроскопия, фокусировка, лазерное структурирование, манипуляция микрообъектами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Cizmar T., Romero L.D., Dholakia K., Andrews D.L. Multiple optical trapping and binding: new routes to self-assembly // J. Phys. B: Atom., Mol. and Opt. Phys. 2010. Vol. 43, N 10. P. 102001.
2. Heitz J., Yakunin S., Stehrer T., Wysocki G., Bauerle D. Laser-induced nanopatterning, ablation, and plasma spectroscopy in the near-field of an optical fiber tip // 17 Intern. Sympos. on Gas Flow and Chemical Lasers and High Power Lasers / International Soc. for Optics and Photonics. Lisbon, 2008. P. 71311W-71311W-8.
3. Kotlyar V.V., Stafeev S.S., O'Faolain L., Soifer V.A. Tight focusing with a binary microaxicon // Opt. Lett. 2011. Vol. 36, N 16. P. 3100-3102.
4. Kuchmizhak A.A., Kulchin Y.N., Vitrik O.B., Savchuk A.G., Makarov S.V., Kudryashov S.I., Ionin A.A. Optical apertureless fiber microprobe for surface laser modification of metal films with sub-100nm resolution // Opt. Communs. 2013. Vol. 308. P. 125-129.
5. Kulchin Y.N., Vitrik O.B., Kuchmizhak A.A., Nepomnyashchii A.V., Savchuk A.G., Ionin A.A., Makarov S.V. Through nanohole formation in thin metallic film by single nanosecond laser pulses using optical dielectric apertureless probe // Opt. Lett. 2013. Vol. 38, N 9. P. 1452-1454.
6. Kuznetsov A.I., Koch J., Chichkov B.N. Nanostructuring of thin gold films by femtosecond lasers // Appl. Phys A. 2009. Vol. 94, N 2. P. 221-230.
7. Marcinkevicius A., Juodkazis S., Matsuo S., Mizeikis V., Misawa H. Application of Bessel beams for microfabrication of dielectrics by femtosecond laser // Jap. J. Appl. Phys. 2001. Vol. 40, N 11A. P. L1197.
8. McLeod J.H. Axicons and their uses // JOSA. 1960. Vol. 50, N 2. P. 166-167.
9. Mohanty S.K., Mohanty K.S., Berns M.W. Organization of microscale objects using a microfabricated optical fiber // Opt. Lett. 2008. Vol. 33, N 18. P. 2155-2157.
10. Novotny L., Hecht B. Principles of nano-optics. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2012. 584 p.
11. Progress in Nano-Electro Optics III: Industrial Applications and Dynamics of the Nano-Optical System / ed. by M. Ohtsu. Berlin; Heidelberg: Springer, 2005. 224 p.
12. Sakaguchi H., Seki N., Yamamoto S. Power coupling from laser diodes into single-mode fibres with quadrangular pyramid-shaped hemiellipsoidal ends // Electron. Lett. 1981. Vol. 17, N 12. P. 425-426.
13. Sheppard C.J.R., Wilson T. Gaussian-beam theory of lenses with annular aperture // IEEE J. Microwaves, Optics and Acoustics. 1978. Vol. 2, N 4. P. 105-112.
14. Taflove A., Hagness S.C. Computational Electrodynamics. L.: Artech House Inc., 2000. 852 p.
15. Watanabe T., Iketaki Y., Omatsu T., Yamamoto K., Sakai M., Fujii M. Two-point-separation in super-resolution fluorescence microscope based on up-conversion fluorescence depletion technique // Opt. Expr. 2003.Vol. 11, N 24. P. 3271-3276.
16. Yakunin S., Heitz J. Microgrinding of lensed fibers by means of a scanning-probe microscope setup // Appl. Opt. 2009. Vol. 48, N 32. P. 6172-6177.
