Расчет дифракционных оптических элементов, формирующих аксиальные световые распределения в задаче оптического захвата

• Автор: Качалов, Денис Георгиевич
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 138 с. : ил.

Содержание:
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. Анализ методов формирования дифракционного микрорельефа
1.1 Задача формирования микрорельефа ДОЭ
1.2 Литографические методы
1.3 Методы прямой записи
Выводы
Глава 2. Расчет ДОЭ, формирующих аксиальные световые распределения
2.1 Постановка задачи расчета ДОЭ, формирующего аксиальное световое
распределение в задаче оптического захвата
2.2 Квантование фазы ДОЭ и дискретизация области формирования светового
распределения
2.3 Критерииоценки ДОЭ
2.4 Анализ методов расчета ДОЭ
2.5 Разработка численной процедуры расчета квантованных ДОЭ, формирующих
аксиальные световые распределения
2.6 Сравнение численного подхода с геометрооптическим приближением
Выводы
Глава 3. Синтез и исследование квантованных ДОЭ, формирующих продольные световые отрезки
3.1 Анализ методов синтеза ДОЭ для формирования продольного светового отрезка
3.2 Формирование светового отрезка ДОЭ, изготовленным с помощью технологии
фотолитографии
3.3 Исследование фокусирующих свойств ДОЭ, изготовленного методом
микролитографии
3.4 Формирование светового отрезка ДОЭ, изготовленным с помощью метода ДФП
Выводы
Глава 4. Синтез и исследование квантованных радиальных ДОЭ, формирующих распределения типа “световая бутылка”
4.1 Анализ методов формирования распределения интенсивности типа “световая
бутылка”
4.2 Формирование распределения типа “световая бутылка” и “удлиненный темновой
фокус” с помощью квантованного радиального ДОЭ
4.3 Исследование применимости созданных ДОЭ для оптического захвата
микрочастиц
Выводы
Заключение
Приложение А. Синтез и исследование дифракционных делителей пучка с непрерывным
профилем
А. 1. Формирование и исследование дифракционного микрорельефа с непрерывным
профилем
А.2. Экспериментальное исследование делителя пучка 1:5
Литература

ВВЕДЕНИЕ
Диссертация посвящена расчету, а также численному и экспериментальному исследованию квантованных дифракционных оптических элементов (ДОЭ), формирующих аксиальные световые распределения в задаче оптического захвата.
Актуальность темы Появление методов расчета [6,18,24,102,66,94,85,108,22] и технологий изготовления [1,18,21,16,69,32,21,122,27,15,7] ДОЭ привело к возможности решения фундаментальных и прикладных задач, которые невозможно или затруднительно решать с использованием элементов традиционной (рефракционной) оптики. ДОЭ нашли широкое применение в оптическом приборостроении [6], медицине [105,101,100], диагностике материалов [106], сенсорике [138], решении задач лазерной обработки материалов [18]. Одной из актуальных задач синтеза ДОЭ является задача создания элементов, формирующих оптические ловушки - световые распределения специального вида, позволяющие осуществлять различные манипуляции с микро- и наночастицами [6].
В работе [37] в 1986 году был продемонстрирован пространственный захват микрочастиц, помещенных в жидкость, градиентными световыми полями. Было показано, что микрочастицы со слабым поглощением и рефракционным индексом выше, чем в окружающей жидкости, могут быть захвачены и свободно перемещаться сильно сфокусированным лазерным пучком с гауссовым распределением. Также этот феномен был предложен для перемещения атомов [39], для микроманипуляций с живыми клетками [38], хромосомами [157], сперматозоидами [149], и клетками белков [46,147].
Впоследствии [25] были рассмотрены оптические ловушки более сложной структуры, в частности, ловушки типа «световые бутылки» [35]. Оптической ловушкой типа «световая бутылка» («light bottle») называют такое распределение интенсивности лазерного излучения, в котором область нулевой интенсивности (темновой зоны) окружена световым барьером

[35,125,161]. Возможность формирования световых полей сложной структуры с помощью ДОЭ делает их перспективным инструментом для реализации оптического захвата [25]. Однако технологии изготовления ДОЭ все еще несовершенны и хорошо отработаны лишь для изготовления квантованного (ступенчатого) микрорельефа с малым числом уровней квантования [6], причем желательно, чтобы размеры зон значительно превышали длину волны (для оптического диапазона порядка микрона). Стоит отметить также, что изготовление радиально-симметричного микрорельефа в целом ряде случаев значительно проще и дешевле несимметричного [6,135]. Существующие ограничения, таким образом, определяют актуальность разработки и исследования методов синтеза квантованных радиальных ДОЭ для решения задачи оптического захвата. В задачах оптического захвата широко применяются элементы, формирующие соосные световые распределения (фокусирующие исходное излучение в продольный отрезок) [25,37,38]. Известны методы расчета фазовых ДОЭ, предназначенных для формирования продольных отрезков, основанные на применении приближения геометрической оптики [18,81]. Однако такие методы принципиально не позволяют учесть влияние дифракционных эффектов, к тому же они крайне чувствительны к квантованию рельефа по уровням [18]. Численные процедуры, основанные на применении известного алгоритма Герчберга-Секстона [66], также не свободны от недостатков. Во-первых, известно, что алгоритм Герчберга-Секстона в случае его применения к расчету фазовых ДОЭ принципиально не обладает сходимостью [24,102]. Во-вторых, необходимость обратного пересчета (применения обратного оператора распространения) на каждой итерации алгоритма приводит к трудностям учета технологических ограничений, особенно в случае малого числа уровней квантования и небольшого числа отсчетов фазовой функции [134]. Отметим актуальность разработки методов синтеза ДОЭ для формирования оптических ловушек. В работах [35,150] развит подход создания оптических ловушек на основе многомодовых пучков специального
где (р - фаза ДОЭ, F - формируемое изображение в фокальной области, оператор А в выбранной математической модели осуществляет соответствие
между (р и F (элементы нормированного пространства). Тогда:
inf||-F|| = ° (2.23)
где оператор inf обозначает точную нижнюю границу для фазы <р, принадлежащей множеству возможных реализаций Q. В нашем случае множество возможных реализаций представляет собой квантованное множество. В действительности, решение задачи синтеза фазового ДОЭ выглядит так:
A здесь сре - фазовый элемент, решающий задачу с заданной точностью s.
Показано, что в общем случае задача не имеет единственного решения [5]. Однако, неединственность решения в данном случае можно использовать для оптимизации дополнительных характеристик элемента [5].
В работах [7,158] описаны различные методики оценки точности е для квантованных ДОЭ. Однако эти методы ориентированы на формирование плоского изображения или осевого распределения.
Большинство методов решения задачи синтеза квантованного ДОЭ условно можно разделить на методы геометрической оптики [3,4,69], итеративные [54,81,58,159] и методы прямого поиска [*9,*10,22,*86,104*122].
Методы геометрической оптики
В работах [3,4,69] развит подход к расчету оптического микрорельефа методами геометрической оптики. Данный метод основан на асимптотических решениях волнового уравнения [18], которые ограничивают рассмотрение волнового поля со слабо изменяющейся комплексной амплитудой. Метод геометрической оптики не позволяет учитывать дифракционные эффекты. Для эффективного решения задач