Световые пучки бесселева типа, формируемые двухкомпонентной схемой из аксикона и сферической линзы

Совмещение в оптической схеме сильно различающихся элементов, таких как аксиконы и сферические линзы, позволяет формировать световые поля, которые отличаются многообразием свойств. Простейший пример такой схемы состоит из аксикона и пространственно разнесенной сферической линзы. Хотя данная схема исследовалась ранее, однако неизученной остается область так называемой вторичной фокусировки, расположенная за хорошо известным кольцевым фокусом. В работе проведен аналитический и численный расчеты светового поля в области вторичной фокусировки. Определены границы этой области и рассчитано продольное и поперечное распределение интенсивности света. Показано, что ближняя зона области вторичной фокусировки формируется в режиме скачкообразной автофокусировки кольцевого поля. Установлено, что поперечное распределение интенсивности в дальней зоне является в общем случае суперпозицией кольцевого поля и осциллирующего поля осевого типа. Определено расстояние между аксиконом и линзой, когда кольцевая компонента поля практически исчезает. Показано, что в этом случае световое поле в области вторичной фокусировки является локально бесселевым световым пучком. Особенность этого пучка заключается в том, что его угол конуса зависит от продольной координаты, а именно, уменьшается обратно пропорционально расстоянию z от начала области. Важным свойством таких z-зависящих бесселевых пучков является отсутствие их трансформации в кольцевые поля, как это происходит для традиционных бесселевых или Бессель-гауссовых пучков в дальней зоне. Это открывает перспективу использования z-зависящих бесселевых пучков для целей оптической связи в свободном пространстве и дистанционного зондирования.

аксикон-линза, бесселевы световые пучки, кольцевые поля, пространственные спектры

1. Ring pattern of a lens-axicon doublet illuminated by a Gaussian beam / P. Belanger [et al.] // Appl. Opt. – 1978. – Vol. 17, № 7. – P. 1080–1086. https://doi.org/10.1364/ao.17.001080

2. Linear, annular, and radial focusing with axicons and applications to laser machining / M. Rioux [et al.] // Appl. Opt. – 1978. – Vol. 17, № 10. – P. 1532–1536. https://doi.org/10.1364/ao.17.001532

3. Focusing properties of Bessel beams / Baida Lü [et al.] // Opt. Commun. – 1996. – Vol. 131, № 4/6. – P. 223–228. https://doi.org/10.1016/0030-4018(96)00274-x

4. Axially symmetric hollow beams using refractive conical lenses / M. de Angelis [et al.] // Opt. Lasers Eng. – 2003. – Vol. 39, № 3. – P. 283–291. https://doi.org/10.1016/s0143-8166(01)00117-8

5. Spherical aberration effects in lens–axicon doublets: theoretical study / Christian Parigger [et al.] // Appl. Opt. – 1997. – Vol. 36, № 31. – P. 8214–8221. https://doi.org/10.1364/ao.36.008214

6. Generation of a hollow laser beam for atom trapping using and axicon / Manek I. [et al.] // Opt Commun. – 1998. – Vol. 147, № 1/3. – P. 67–70. https://doi.org/10.1016/s0030-4018(97)00645-7

7. Evolution of Focused Hankel Waves and Bessel Beams / S. Chávez-Cerda [et al.] // Opt. Commun. – 2000. – Vol. 181, № 4/6. – P. 369–377. https://doi.org/10.1016/s0030-4018(00)00779-3

8. Adjustable generation of bottle and hollow beams using an axicon / Ming-Dar Wei [et al.] // Opt. Commun. – 2005. – Vol. 248, № 1/3. – P. 7–14. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2004.11.092

9. Generation of a beam with a dark focus surrounded by regions of higher intensity: the optical bottle beam / J. Arlt [et al.] // Opt. Lett. – 2000. – Vol. 25, № 4. – P. 191–193. https://doi.org/10.1364/ol.25.000191

10. Lens-axicon separation to tailor aberration free focused Bessel-Gaussian beams in the paraxial regime / Iftekher S. Chowdhury [et al.] // Opt. Express. – 2019. – Vol. 27, № 8. – P. 11160–11173. https://doi.org/10.1364/oe.27.011160

11. Bessel-like beams with z-dependent cone angles / V. Belyi [et al.] // Opt. Express. – 2010. – Vol. 18, № 3. – P. 1966–1973. https://doi.org/10.1364/oe.18.001966

12. Прудников, А. П. Интегралы и ряды: в 3 т. / А. П. Прудников, Ю. А. Брычков, О. И. Маричев. – 2-е изд. – М.: Физматлит, 2003. – Т. 2. – 664 с.

13. Bessel-Gauss beams / F. Gori [et al.] // Opt. Commun. – 1987. – Vol. 64, № 6. – P. 491–495. https://doi.org/10.1016/0030-4018(87)90276-8

14. Abruptly autofocusing waves / N. K. Efremidis [et al.] // Opt. Lett. – 2010. – Vol. 35, № 23. – P. 4045–4047. https://doi.org/10.1364/ol.35.004045