Diffractive optical elements for the formation of combinations of vortex beams in the problem manipulation of microobjects

Abstract

Дифракционные оптические элементы для формирования комбинаций вихревых пучков… Скиданов Р.В., Ганчевская С.В. Аннотация Представлены дифракционные оптические элементы для формирования суперпозиции оптических вихрей с разными топологическими зарядами. Представлены результаты мате-матического моделирования дифракции света на таких ДОЭ.Ключевые слова: дифракционный оптический элемент, оптический вихрь, топологиче-ский заряд. ВведениеВихревые световые пучки используются при пере-даче информации [1], в системах оптического контро-ля [2], в оптическом микроманипулировании [3, 4]. При этом наличие орбитального углового момента предопределило использование оптических вихревых пучков, прежде всего, для вращения микрообъектов. Большинство используемых вихревых пучков имеют чётко выраженную кольцевую структуру. Но сущест-вуют световые пучки, имеющие более сложную струк-туру [5, 6] в виде замкнутых световых линий. В качест-ве практического использования таких световых пуч-ков чаще всего рассматривается оптический привод для микромеханических систем [7 -11], но существует множество других практических задач в области мик-романипуляции, в которых используются вихревые пучки [12, 13]. При этом орбитальный угловой момент может появляться даже при сложении пучков, которые изначально не обладают им. Так, в [14] описывается суперпозиция световых пучков Эрмита-Гаусса с орби-тальным угловым моментом. В [15] описывается соз-дание суперпозиции вихревых пучков для вращения микрочастиц и бактерий с использованием динамиче-ского модулятора света.Суперпозиция вихревых пучков в общем случае имеет сложную структуру распределения интенсив-ности [16, 17] (в общем случае некольцевую). В [18, 19] описывается метод формирования суперпози-ции вихревых пучков, имеющих некольцевую струк-туру, и теоретически и экспериментально обосновы-вается возможность использования таких вихревых полей в задаче оптического вращения микрообъектов.В данной работе рассматривается новый тип ди-фракционных оптических элементов, в которых об-ласти, отвечающие за формирование вихревых свето-вых пучков с разными топологическими зарядами, не разделены по апертуре, как в [16], а равномерно рас-полагаются по площади апертуры. Формирование суперпозиции вихревых световыхполей вихревыми аксиконами Дифракционный винтовой аксикон описывается функцией комплексного пропускания следующего вида:где r, φ -полярные координаты в плоскости ДОЭ, υ -пространственная частота линий аксикона, n -номер винтовой составляющей. При прохождении света че-рез такой аксикон формируется пучок Бесселя n-го порядка J n (αr), где α = k cos (υλ) (k -волновое число). Известна работа [20], в которой предлагается ге-нерировать пучки Бесселя с помощью ДОЭ с функци-ей пропусканияВинтовой ДОЭ с пропусканием (1) эффективно формирует световое поле, амплитуда которого про-порциональна функции Бесселя J n (αr) exp (inϕ), вбли-зи оптической оси на отрезке 0 < z < Rk / α, где R -ра-диус аксикона.Если рассмотреть структуру ДОЭ с функцией про-пускания (2) с точки зрения геометрии расположения зон, то можно сказать,...