Формирование бесселевых световых пучков на больших расстояниях из кольцевых полей

Исследован процесс трансформации кольцевого пучка в поле бесселева типа за счет дифракции при распространении в свободном пространстве на большие расстояния и вследствие эффекта фокусировки. Рассмотрен ряд моделей кольцевых полей, включая аналитическую модель в виде полиномиальной функции в ограниченной области пространства, а также экспериментально реализуемую модель на основе схемы с двумя аксиконами. Проведено сравнение поперечного и продольного распределений интенсивности для этих моделей и обнаружена высокая степень устойчивости структуры продольного распределения осевой интенсивности к изменению модели кольцевого поля. Данное продольное распределение характеризуется наличием интенсивного максимума с несимметричным профилем, появление которого не связано с линзовой фокусировкой. В начальной области указанного максимума зарождается процесс формирования бесселева пучка из кольцевого и имеет место резкое увеличение интенсивности. Обнаружено также, что фокусировка кольцевого поля на большие расстояния существенно отличается от фокусировки на короткие расстояния. В случае больших расстояний рост осевой интенсивности имеет место не в окрестности фокальной плоскости, а значительно ближе к излучателю, причем выброс интенсивности, вызванный непосредственно фокусировкой, не идентифицируется. Рассчитан поперечный профиль пучка бесселева типа на больших расстояниях. Показано, что этот профиль характеризуется малым числом боковых колец, а в осевом максимуме и первом кольце содержится более 90 % световой мощности. Рассмотрена проблема генерации модельного кольцевого поля резонатором Фурье-типа со специальным зеркалом-транспарантом.

1. Durnin, J. Diffraction-free beams / J. Durnin, J. J. Miceli, Jr., J. H. Eberly // Phys. Rev. Lett. – 1987. – Vol. 58, № 15. – P. 1499–1501. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.58.1499

2. Linfoot, E. H. Diffraction Images in Systems with an Annular Aperture / E. H. Linfoot, E. Wolf // Proc. Phys. Soc. B. – 1953. – Vol. 66, № 2. – P. 145–149. https://doi.org/10.1088/0370-1301/66/2/312

3. Welford, W. T. Use of Annular Apertures to Increase Focal Depth / W. T. Welford // J. Opt. Soc. Am. – 1960. – Vol. 50, № 8. – P. 749–753. https://doi.org/10.1364/JOSA.50.000749

4. Sheppard, C. J. The use of lenses with annular aperture in scanning optical microscopy / C. J. Sheppard // Optik. – 1977. – Vol. 48, № 3. – P. 329–334.

5. Siegman, A. E. Lasers / A. E. Siegman. – University Science Books, 1986. – 729 p.

6. Jacquinot, P. II Apodisation / P. Jacquinot, B. Roizen-Dossier // Prog. Opti. – 1964. – Vol. 3. – P. 29–132. https://doi.org/10.1016/S0079-6638(08)70570-5

7. Ojeda-Castañeda, J. Annular apodizers for low sensitivity to defocus and to spherical aberration / J. Ojeda-Castañeda, P. Andrés, A. Díaz // Opt. Lett. – 1986. – Vol. 11, № 8. – P. 487–489. https://doi.org/10.1364/OL.11.000487

8. Ojeda-Castañeda, J. Tuning field depth at high resolution by pupil engineering / J. Ojeda-Castañeda, C. M. GómezSarabia // Adv. Opt. Photon. – 2015. – Vol. 7. – P. 814–880. https://doi.org/10.1364/AOP.7.000814

9. Long-range propagation of annular beam for lidar application / T. Shiina [et al.] // Opt. Commun. – 2007. – Vol. 279. – P. 159–167. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2007.07.029

10. Gerçekcioğlu, H. Annular beam scintillations in strong turbulence / H. Gerçekcioğlu, Ya. Baykal, C. Nakiboğlu // J. Opt. Soc. Am. A. – 2010. – Vol. 27, № 8. – P. 1834–1839. https://doi.org/10.1364/JOSAA.27.001834

11. Approach to improve beam quality of inter-satellite optical communication system based on diffractive optical elements / L. Tan [et al.] // Opt. Express. – 2009. – Vol. 17, № 8. – P. 6311–6319. https://doi.org/10.1364/OE.17.006311

12. Eyyuboğlu, H. T. Scintillations of cos-Gaussian and annular beams / H. T. Eyyuboğlu, Y. Baykal // J. Opt. Soc. Am. A. – 2007. – Vol. 24, № 1. – P. 156–162. https://doi.org/10.1364/JOSAA.24.000156

13. Generation and focusing of a collimated hollow beam / S. K. Tiwari [et al.] // Opt. Eng. – 2015. – Vol. 54. – P. 115111. https://doi.org/10.1117/1.oe.54.11.115111

14. Tuning the resolution and depth of field of a lens using an adjustable ring beam illumination / T. Breen [et al.] // Appl. Opt. – 2020. – Vol. 59, № 15. – P. 4744–4749. https://doi.org/10.1364/AO.389353

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

16. Bessel-like light beams formed by the two-component scheme consisting of axicon and spherical lens / N. A. Khilo [et al.] // Opt. Comm. – 2021. – Vol. 483. – P. 126666. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2020.126666

17. Optical synthesis of a high-energy uniform and uniphase laser emission / F. Saviot [et al.] // Opt. Lett. – 1993. – Vol. 18, № 24. – P. 2117–2119. https://doi.org/10.1364/OL.18.002117